Некоммерческое акционерное общество 

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ  И СВЯЗИ 

Кафедра «Электроника»

 

 

 

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ  НА БАЗЕ  LabVIEW

 

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности

5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение

 

 

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛИ: Б.С. Байкенов, Оразалиева С.К. Метрология, стандартизация и сертификация на базе LabVIEW. Методические указания к выполнению лабораторных работ  для студентов всех форм обучения специальности 5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение. – Алматы: АУЭС, 2011. – 24 с.

 

В методической разработке рассмотрены методы и средства измерительной техники, а также особенности измерений различных электрических и неэлектрических величин с помощью виртуальных приборов пакета LabVIEW, позволяющего программными средствами осуществить взаимодействие с внешней средой с помощью типовых интерфейсов. Представлены программы для работы со стандартными приборами и примеры программной реализации лабораторных стендов и установок.

 Методическая разработка составлена в целях закрепления лекционного материала и предназначена для всех форм обучения специальности 5В070400 – Вычислительная техника и программное обеспечение.  

Ил. 15, табл. 3, библиогр. – 6 назв. 

 

Рецензент:   д-р. техн. наук, проф. Ш.А. Бахтаев                  

 

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

 

Введение 

Основной целью данных методических указаний является закрепление знаний по проектированию измерительных приборов и систем, приобретение практических навыков для измерения параметров электрических сигналов с требуемой точностью и программирования в среде LabVIEW.

Для этого необходимо уметь осуществить правильный выбор измерительного прибора, метод измерения для устранения аддитивных и мультипликативных погрешностей, использовать не только традиционные приборы (аналоговые и цифровые), но и виртуальные, компьютизированные комплексы, к которым относится система LabVIEW.

Отличие этой среды от других, использующих тесто ориентированные языки,  заключается в применении графического программирования. В  LabVIEW имеется большая библиотека функций и процедур, универсальных для большинства прикладных задач управления средствами измерения, сбора и обработки данных. Программы, созданные в среде LabVIEW, имеют три основные составные части: переднюю панель, блок-диаграмму и пиктограмму.

Передняя (лицевая) панель виртуального инструмента (ВИ) содержит графическое изображение шкалы, кнопок, клавиш, регуляторов и других органов управления и индикации. Конструирование лицевой панели  в LabVIEW сводится к составлению картинки из различных элементов, находящихся в меню.

Блок-диаграмма представляет собой графическое решение задачи. Она составляется на графическом языке программирования. Затем встроенный в LabVIEW компилятор транслирует программу в машин­ный код элементарных алгебраических операций, функции сбора и анализа данных,  сетевые операции  и  др.

Пиктограмма является графическим представлением ВИ в блок-диаграмме. Аппаратная составляющая виртуальных измерительных приборов, обеспечивающая ввод реальных сигналов измерительной информации, может реализоваться в виде встраиваемых в компьютер сменных плат или  в виде внешних устройств.

Во внешних устройствах сбора данных преобразование сигнала в цифровую форму проводится несколькими полностью синхронизированными АЦП, реализованными обычно в виде единой матрицы логических элементов.

Набор аппаратных и  программных средств,  добавленных  к  обычному  компьютеру   и  образующие   ВИ,   можно  рассматривать как основу компьютерных измерительных технологий. Взаимодействие между отдельными элементами системы в КИС осуще­ствляется с использованием внутренней шины персонального компью­тера, а стандартные измерительные приборы могут заменяться вирту­альными   приборами.

В данной методической разработке рассмотрены стандартные виртуальные приборы в среде LabVIEW, которые могут быть полезны при моделировании систем управления и телекоммуникаций.

1 Лабораторная работа. Измерения электрического сопротивления с помощью модели омметра в LabVIEW

 

Цель работы: изучить схему омметра и метод непосредственного измерения с помощью системы моделирования LabVIEW, рассчитать истинные значения измеренных сопротивлений с учетом класса точности.

 

1.1 Общие сведения

    

На рисунке 1.1 приведена схема подключения аналогового омметра к измеряемому сопротивлению Rx.

Рисунок 1.1 – Схема омметра с измеряемым сопротивлением Rx

 

Например, если регулировочное сопротивление Rg = 2 кОм, а RХ=0 - режим короткого замыкания (КЗ), то показание вольтметра будет равно

 

Очевидно, что при увеличении RX показания вольтметра U будут меньше Uкз.

Поэтому уравнение шкалы омметра имеет вид

 

                               ,                              (1.1)

 

где h – относительное изменение показаний вольтметра;

Uкз = UN = 1 В – верхний предел шкалы вольтметра (омметра);

RBX = 3кОм – входное сопротивление омметра.

Из формулы (1.1) следует, что шкала вольтметра обратная (RX=0, U = Umax; RX = ¥, U = 0) и неравномерная. При RX = RBX = 3 кОм имеем h = U = 0,5, т.е. показание вольтметра будет составлять ровно половину шкалы омметра. Кроме того, точность измерения омметра зависит только от класса точности вольтметра и не зависит от точности напряжения источника питания.

Рисунок 1.2 – Шкала омметра для данной схемы

 

Класс точности - это обобщен­ная метрологическая характеристика, определяемая пределами допус­каемых основной и дополнительных погрешностей, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения. Класс точности стрелочных приборов обозначается одним числом с, равным максимально допускаемому зна­чению приведенной погрешности

                                                     ,                                              (1.2)

где хN – верхний предел шкалы прибора.   

Из формулы (1.1) получим

                                                    .                                                (1.3)

Для данного примера UN = 1B, поэтому

                                                        .                                                (1.4)

Из формулы (1.2) абсолютная погрешность вольтметра равна

                                          .                                                    (1.5)

Предположим, что класс точности вольтметра с = 1%, тогда ∆U = 0,01B. Учитывая неравномерность шкалы, абсолютная погрешность сопротивления ∆R определяется в верхней части шкалы вольтметра, которую приближенно можно считать равномерной.

Тогда по формуле (1.4)

Тогда истинное значение измеряемого сопротивления будет равно

 

1.2 Порядок выполнения работы

 

1) Запустить программу LabVIEW и открыть файл «Косвенный метод.vi».

2) Установить переключатель «Выбор схемы» в положение 2 и появится окно со схемой омметра (см. рисунок 1.3).

     На лицевой панели находятся два вольтметра (верхний рабочий V1), схема омметра, поля для ввода сопротивлений и переключатели.

3) Переключатель «Напряжение Е» установить на 3В, а переключатель «Rg» на 2 кОм, Ro = 1кОм.

Запуск программы осуществляется кнопкой «Running» , находящаяся в нижнем ряду панели инструментов слева, а выключение кнопкой «STOP» внизу слева на лицевой панели модели.

 

 

Рисунок 1.3 – Лицевая панель модели омметра

 

4) После запуска схемы ввести Rx = 600 Ом и снять показания вольтметра 1.

5) Остановить программу кнопкой «STOP», ввести Rx = 1500 Ом. Запустить программу и снять показания вольтметра 1.

1.2.1 Задание.

При классе точности вольтметра δ = 0,5 рассчитать истинные значения измеренных сопротивлений.

 

1.3 Контрольные вопросы

 

1) Что называется измерением?

2) Что такое абсолютная и относительная погрешность измерений?

3) Что означает класс точности прибора?

4) Какие методы измерений используются на практике?

5) От чего зависит точность измерения аналогового омметра?

6) Чем отличается прибор от измерительной установки, системы?

 

 

2 Лабораторная работа. Измерение электрического сопротивления методом двух вольтметров

 

Цель работы: ознакомиться с  методом двух вольтметров для измерения сопротивления и тока электрической цепи; рассчитать истинное значение сопротивления с учетом класса точности используемых приборов.

 

2.1 Общие сведения

 

На практике наиболее часто измеряют сопротивления косвенным методом:  при помощи амперметра и вольтметра. Погрешности измерения определяются инструментальными погрешностями средств измерения и методической погрешностью схемы включения приборов. Возможны две схемы включения: для измерения малых и для измерения больших сопротивлений.

Меньшую погрешность измерения обеспечивают схемы с использованием одного прибора – вольтметра с разными пределами измерений (см. рисунок 2.1).

                                            а)                                                                                              б)

Рисунок 2.1 – Схема измерения сопротивления двумя вольтметрами:

для малого (а) и большого (б)

 

Для схемы (см. рисунок 2.1,а) очевидно, что

                              (2.1)

Для схемы (см. рисунок 2.1,б) аналогично

                                        (2.2) 

Вначале измеряется напряжение  U1 на таком пределе UN вольтметра, чтобы , а потом на той же шкале – U2. Если U2 мало, то устанавливается меньший предел измерения вольтметра в той же пропорции показания прибора.

Погрешность измерения не превышает точности вольтметра, если величины U1 и U2 измерены на одной шкале прибора. Если значения U1 и U2 определены по разным шкалам (пределах) одного и того же прибора, то погрешность измерения не превысит d=2dv.

 

2.2 Порядок выполнения работы

 

1) После запуска LabVIEW и открытия файла «Косвенный метод.vi», появляется лицевая панель модели (см. рисунок 2.2).

Модель содержит два вольтметра, схему метода измерения, поля для ввода сопротивлений и переключатели. Переключатель «Выбор схемы» позволяет выбрать схему метода измерения, переключатель «Напряжение Е» устанавливает напряжение питания схемы.

 

 

Рисунок 2.2 – Лицевая панель модели схемы измерения

 

2) Перед запуском программы установить переключатель «Выбор схемы» в положение 0 (см. рисунок 2.1,а) для измерения малых сопротивлений. Е = 3В, R1 = 300 Ом, R2 = 190 Oм, R3 = 100 Ом, Rx = 10 Ом.

Снять показания двух вольтметров и по формуле (2.1) рассчитать Rx. Кнопкой «STOP» остановить программу.

3) Перед запуском программы установить переключатель «Выбор схемы» в положение 1 (см. рисунок 2.1,б) для измерения больших сопротивлений. Е = 3В, R1 = 300 Ом, R2 = 200 Oм,  Rx = 100 Ом.

Снять показания двух вольтметров и по формуле (2.2) рассчитать Rx. Кнопкой «STOP» остановить программу.

2.2.1 Задание.

Рассчитать измеренные и истинные значения сопротивлений двумя способами с учетом класса точности вольтметров С = δпр = 0,5.

 

2.3 Контрольные вопросы

 

1) Достоинства и недостатки метода двух вольтметров?

2) В чем заключается метод совокупных измерений?

3) В чем заключается метод совместных измерений?

4) Зависит ли точность измерений данным способом от стабильности источника питания?

5) Что понимается под методической погрешностью?

6) Что понимается под инструментальной погрешностью?

 

3 Лабораторная работа 3. Измерение сопротивлений методом амперметра и вольтметра

 

Цель работы: изучение косвенного метода  измерения сопротивлений, а также определение истинного значения сопротивления с учетом методической и инструментальной погрешностей используемых приборов.

 

3.1 Общие сведения

 

Измерить сопротивление в цепи, пользуясь косвенным методом: амперметра и вольтметра, можно с помощью двух схем подключения измерительных приборов (см. рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схема измерения сопротивления методом A-V

 

В схеме (см. рисунок 3.1,а), в которой амперметр соединен последовательно с Rx, вольтметр измеряет падение напряжение на двух элементах – амперметре и измеряемом сопротивлении. Поэтому абсолютная и относительная методическая погрешности будут равны:

                                          ,                                 (3.1)

                                                          .                                             (3.2)

В схеме (см. рисунок 1,б), где вольтметр соединен параллельно измеряемому сопротивлению Rx, амперметр измеряет ток, равный сумме двух токов – через вольтметр и сопротивление Rx. В данном случае абсолютная и относительная методическая погрешности будут равны:

                             ,                    (3.3)

                                                    .                                 (3.4)

Абсолютная и относительная инструментальная  погрешности определяются несовершенством используемых измерительных приборов и для этих схем имеют вид:

                                                  ,                                            (3.5)

                                              ,                                         (3.6)

где    ∆U, ∆I - абсолютные погрешности приборов, которые определяются через их классы точности:

 

                                                  ,                         (3.7)

где     KV, KA – классы точности вольтметра и амперметра;

UN, IN – верхний предел шкалы соответствующих приборов.

Общая относительная погрешность измерения равна

                                                          d = çdМ ê+ çdи ê.                                              (3.8)

Тогда абсолютная погрешность измерения

                                                             .                                                (3.9)

Результаты расчетов занести в таблицу 2 и сделать выводы о преимуществе схемы включения приборов и их точности.

4) Если в схеме (см. рисунок 1,а) использовать цифровые приборы, то погрешность измерения определяется только относительной погрешностью прибора.

Класс точности цифровых приборов указывается в виде дроби c/d , по которой определяется относительная погрешность

                                                          ,                                 (3.10)

где     хк – верхний предел измерения.

Значения c,d выбирают из следующего ряда:

Например, класс точности цифрового вольтметра равен 0,03/0,06. Тогда    относительная погрешность измерения вольтметра:

                  %.                 

Далее определяется абсолютная погрешность цифрового вольтметра

,

 где    UV – показание вольтметра.

Результат истинное значение измеренного напряжения будет равно

.

 Методической погрешностью можно пренебречь из-за высокого сопротивления вольтметра. Все вышесказанное справедливо и для цифрового амперметра.

 

3.2 Порядок выполнения работы

 

3.2.1 Использование электромеханических приборов.

1) Записать параметры приборов в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 - Параметры приборов

Амперметр

Вольтметр

цена деления a =     ;

предел измерения IN =     А;

внутр. сопротивление RА=     Ом;

класс точности КА =          %.

цена деления a = ;

предел измерения UN =     В;

вх. сопротивление RV =     Ом;

класс точности КV =             %.

 

2) Собрать схемы, соответствующую (см. рисунки 3.1,а и б) при Е = 3В.

RX = 15 … 30 Ом выставляется на магазине сопротивления типа Р33. Результаты измерений занести в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2 – Измерение RX по методу амперметра и вольтметра

Показания приборов и расчеты

Схема 1

Схема 2

Показания амперметра I .., A

Показания вольтметра U, В

Сопротивление Rизм = U/ I, Ом

Метод. погрешность Ом     %

Инстр. погрешность Dи , Ом   dи , %

 Результат измерения R=Rизм ± DR

 

 

 

3.2.2 Использование цифровых приборов.

1) Выполнить пункты 1 и 2 для схемы, представленной на рисунке 3.1,а.

3.2.3 Задание.

Для электромеханических и цифровых приборов:

- измерить заданное сопротивление, используя различные способы включения приборов;

- определить истинное значение сопротивления.

 

3.3 Контрольные вопросы

 

1) В чем заключаются преимущества и недостатки метода А – V?

2) Могут ли обе схемы дать одинаковые методические погрешности?

3) Чему равна относительная погрешность косвенного измерения?

4) Метод AV пригоден для измерения очень маленьких сопротивлений?

5) Достоинства и недостатки использования цифровых приборов?

 

4 Лабораторная работа. Модель схемы компенсатора в LabVIEW

 

Цель работы: изучить компенсационный метод с учетом погрешностей применяемых технических средств измерения.

 

4.1 Общие сведения

 

Компенсационная схема имеет два источника питания: изменяемое напряжение Ux и опорное (образцовое) напряжение U0 (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема измерения напряжения компенсационным методом

 

Измеряемое напряжение, измененное делителем напряжения, будет равно

                          ,                                

где     k – коэффициент делителя напряжения, k = R2/(R1 + R2).

     Напряжение, снимаемое с потенциометра R, будет равно

,

где     Rx – сопротивление между движком и нижним выводом потенциометра;

R – полное сопротивление потенциометра.

Токи от двух источников питания направлены встречно. Следовательно, изменяя сопротивление Rx потенциометра, можно добиться равенства токов, а это возможно при условии

.

Тогда

                                                    .                                           (4.1)

Потенциометр (см. рисунок 4.2) состоит из кар­каса 1, на который намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка 3, укреп­ленного на оси . Движок касается провода 2. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществ­ляется с помощью неподвижного токосъемного кольца 4.

Рисунок 4.2 – Внешний вид потенциометра без корпуса

 

Для намотки используется проволока малого диаметра (константан, сплав платины, золота), так как чем меньше диаметр, тем меньше ступенчатость статической характеристики (см. рисунок 4.3). 

Рисунок 4.3 – Зависимость напряжения выхода потенциометра

от перемещения движка

 

Погрешность потенциометра обусловлена  скачкообразным изменением сопротивления ΔR при переходе движка с одного витка на другой. Если в качестве номинальной функции преобразования принять функцию, проходящую  посредине   "ступенек",  то максимальное значение приведенной погрешности, обусловленное дискретностью

 

                                                            ,                                                     (4.2)

 

где    R - полное сопротивление преобразователя.

 

4.2 Порядок выполнения работы

 

1) Запустить программу LabVIEW и после открытия файла (Компенсационный метод.vi)  должно появиться модель схемы (см. рисунок 4.4).

 

Рисунок 4.4 – Лицевая панель модели компенсатора

 

На схеме приведены: шкала гальванометра; переключатель с двумя положениями «грубо» (слева) и «точно» (справа), регулятор опорного напряжения, блок для ввода значений сопротивлений  R1 и R2, кнопка «STOP». Кнопка  «STOP» служит для выключения виртуального прибора.

2) Сопротивление потенциометра равно R = 1кОм.     Набрать следующие данные: R1 = 500 Ом и R2 = 500 Ом (к = 0,5); U0 = 5B и Ux = 4В.

3) Установить переключатель  в положение «грубо» (влево) и  изменяя  сопротивление потенциометра Rx – магазин сопротивлений, добиться нулевого положения стрелки гальванометра. После чего необходимо перевести переключатель в положение «точно» (вправо) и произвести действия повторно. Если компенсация достигнута, то загорается лампочка «Верно».

 

4.2.1 Задание.

 Рассчитать по формуле (4.1) неизвестное напряжение Ux с учетом того, что приведенная погрешность сопротивления потенциометра R = 1кОм равна δR = ±0,01%.

 

 

4.3 Контрольные вопросы

 

1) В чем заключается метод компенсации?

2) От чего зависит точность измерения компенсатора?

3) Какие достоинства компенсационного метода?

4) Какие основные недостатки?

5) Можно ли использовать потенциометр в качестве датчика угла?

6) Какие основные недостатки потенциометра?

 

5 Лабораторная работа. Электрический термометр на основе моста постоянного тока

 

Цель работы: ознакомиться со схемой термометра и методом измерения электрического сопротивления терморезистора с помощью моста постоянного тока, а также с факторами, влияющими на точность измерения.

 

5.1 Общие положения

 

Схема электрического термометра на базе моста постоянного тока приведена на рисунке 5.1. Основным элементом схемы электрического термометра является мост постоянного тока, в плечи которого включены постоянные резисторы R1,R3, регулировочный R2 и терморезистор Rx. Питание осуществляется от источника питания Е и подается на одну из диагоналей моста. С другой диагонали снимается выходное напряжение, измеряемое вольтметром V. Из теории электротехники вытекает, что выходное напряжение моста равно

                                                                                              (5.1)

Очевидно, что Uвых = 0, при условии

 

                                                           .                                                  (5.2)

                                                                

Это условие называется балансом моста.

 

Рисунок 5.1 – Схема электрического термометра

 

В качестве Rx устанавливается терморезистор, а с помощью регулировочного резистора R2 настраивается баланс моста по нулевому показанию вольтметра, например, при комнатной температуре. Если терморезистор поместить в исследуемую среду, то последует изменение величины сопротивления терморезистора Rx и, соответственно, наступает дисбаланс моста, т.е. вольтметр на выходе покажет напряжение пропорциональное измеряемой температуре.

Тогда из (5.2) следует, что

                                                                                                (5.3)

Обычно в приборах на мостовых схемах R2 = R3 = R и k = 1.

Тогда формула (5.1) примет вид

                                                                                                       (5.4)

Отсюда, измеряемое сопротивление равно

                                                                                                       (5.5)

Мостовая  схема  является  дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности (числитель формулы 5.1). Если напряжение питания моста Е не стабилизировано, то при его вариациях возможна мультипликативная погрешность. Для ее исключения используется компенсационный метод измерения выходного напряжения моста.

Терморезистором называется измерительный  преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупровод­никовые. Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обыч­но применяются медь или платина.

Функция преобразования медного терморезистора линейна:

 

                                                        ,                                               (5.6)

                                                         

где     Ro — сопротивление при 0 °С; 

α = 1,17 оС-1 — температур­ный коэффициент меди.

Сопротивление терморезистора зависит не только от температуры окружающей среды, но и от проходящего по нему тока. Перегрев медного термометра током не должен превышать 0,4 °С, а платинового - 0,2°С. Для этого ток не должен превосходить 10-15 мА.

По­лупроводниковый терморезистор - термистор - изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьша­ется. Их функцию преобразования  обычно аппроксими­руют выражением

 

                                                      ,                                               (5.7)

                                                              

где    Rt - сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах;

А и В - постоянные, зависящие от материала и технологии.     

В зависимости от типа они могут применять­ся для измерения температур от -100 до +120-600 °С. Их чувствитель­ность в 6-10 раз больше, чем чувствительность металлического тер­морезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие мас­сы и размеры (диаметр от 0,006 до 2,5 мм).

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случа­ях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить темпера­туру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью. Они широко используются, например, в биологии. С помощью термистора, смонти­рованного на острие иглы, можно измерить температуру внутренних органов живого организма. Широкое применение термисторы нахо­дят в различных приборах для температурной коррекции характери­стик приборов.

 Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность  характеристик. В течение первой недели их сопротивление может измениться на 1-1,5%.  В дальнейшем изменение сопротивления термистора происхо­дит медленнее, не превышая 0,2% в год.

В менее ответственных случаях для измерения температуры используются мосты с руч­ным уравновешиванием, в производственных условиях — автомати­ческие. Упрощенная схема автоматического моста показана на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема автоматического моста для измерения температуры

 

Измерительная цепь представляет собой мост, состоящий из мангани­новых резисторов R1-R3 и терморезистора Rt. Если мост не уравновешен, напряжение измерительной диагонали усиливается и подается на реверсивный двигатель РД. Вал двигателя через редуктор соединен с движком реохорда Rр и перемещает его так, чтобы напряжение разбаланса уменьшалось.

Терморезистор подключается к мосту с помощью двух или трехпроводного кабеля. Двухпроводный кабель включается последовательно с термометром в одно плечо, что вносит погрешность в измерение. При трехпроводной схеме (см. рисунок 5.2) по одной жиле кабеля к термометру подводится напряжение питания Е, а терморезистор подсоединяется в смежные плечи моста. Одинаковые изменения их сопро­тивлений практически не разбалансируют мост. Таким образом, исклю­чается погрешность, которая могла бы быть при изменении температу­ры кабеля.

 

5.2 Порядок выполнения работы

 

1). Открыть файл «Косвенный метод.vi» и установить переключатель «Выбор схемы измерения» в положение 3.

2) Набрать следующие данные для баланса моста: R2 = R3 = 200 Ом; Rx = R1 = 100 Ом; Е = 5В.

3) Записать 6 показаний вольтметра при увеличении Rx от 100 Ом до 400 Ом с шагом ∆R = 50 Ом. Нетрудно убедиться, что для набранных данных моста (R2 = R3 = 200 Ом; Rx = R2 = 100 Ом; Е = 5В) формула (5.4) упрощается и примет вид

 

 

Отсюда, измеряемое сопротивление будет равно

 

                                                                                          (5.8)

Магнитоэлектрический вольтметр с классом точности 0,5 со шкалой на 3В.

 

Рисунок 5.3 – Лицевая панель модели термометра

 

4) Рассчитать по формуле (5.9), которая вытекает из (5.6 и 5.8), и записать в таблицу значения температуры при измеренных Rx от 100 – 400 Ом с учетом погрешности вольтметра. Терморезистор медный с Ro = 10 Ом при t= 0 oC. Показания электрического термометра (шкала) описываются уравнением

                                       (5.9)

 

5.3 Контрольные вопросы

 

1) В чем заключается баланс моста?

2) Какие погрешности присутствуют в мостовых схемах?

3) Для чего используется 3-х проводная схема подключения терморезистора?

4) Что называется терморезистором?

5) Какие виды терморезисторов существуют?

6) Какие достоинства и недостатки термисторов?

 

6 Лабораторная работа. Измерение частоты сигнала при помощи электронного осциллографа

 

Цель работы: ознакомиться с измерением частоты входного сигнала при помощи синусоидальной развертки осциллографа методом сравнения с известной частотой сигнала, воспроизводимого мерой – образцовым генератором.

 

6.1 Общие положения

 

6.1.1 Измерение частоты при помощи синусоидальной развертки.

Синусоидальная развертка применяется для измерения частоты, фазового сдвига, параметров модулированных колебаний и других величин. Измерение частоты по интерференционным фигурам (Лиссажу) возможен только для сигналов синусоидальной формы. Измеряемый сигнал fx подают на канал вертикального отклонения (КВО), а сигнал меры известной частоты fo – на вход канала горизонтального отклонения (КГО) для образования из него развертки (см. рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Схема измерения частоты по фигурам Лиссажу

 

Медленным изменением частоты меры (образцового генератора) получают на экране простейшую фигуру Лиссажу. При измерениях рекомендуется стремиться к получению простейшей интерференционной фигуры – эллипса, для которой fx = fo. Форма и наклон эллипса являются признаками фазового сдвига между отклоняющими напряжениями (см. таблицу 6.1). При этом отношение частот сравниваемых сигналов определяют путем подсчета числа пересечений фигуры, мысленно проведенных горизонтальной и вертикальной линий, не проходящих через узлы фигуры.

Для неподвижного изображения фигуры справедливо соотношение

 

,

 

где  Nг и Nв  - количество пересечений фигуры с горизонтальной и вертикальной линиями, соответственно.

Из проведенного равенства определяется частота измеряемого сигнала

                                                                                                           (6.1)

Из (6.1) следует, что точность определения частоты сигнала зависит от погрешности образцового генератора. Примеры фигур Лиссажу приведены в таблице 6.1.

Измерение частоты импульсных сигналов по числу изображений на линейной развертке производят при подаче измеряемого сигнала в КВО. Сигнал образцового генератора при этом подается на вход КГО для образования развертки. Медленным изменением частоты fo добиваются получения на экране ЭО одного или n изображений импульсных сигналов.

Тогда, частота импульсов будет равна

 

                                                                                                                  (6.2)

 

Таблица 6.1 – Фигуры Лиссажу    

6.1.2 Измерение частоты при помощи круговой развертки.

Для измерения частоты и фазового сдвига используется круговая (эллиптическая) развертка, полученная на основе синусоидальной. Для этого на входы осциллографа У и Х подаются гармонические сигналы от образцового генератора, но сдвинутые по фазе на 90о с помощью RC цепочки. На экране появляется окружность или эллипс – линия круговой развертки (см. рисунок 6.2,а). В течение периода развертывающего напряжения светящееся пятно делает один оборот по окружности, т.е. число оборотов в секунду равно частоте развертывающего напряжения. Входной сигнал подается на модулятор яркости ЭО через канал Z.

 

Рисунок 6.2 – Схема получения круговой развертки (а) и изображение

на экране при n = 1 и n = 14 (б)

 

При положительной полуволне входного сигнала изображение круга  становится ярким, при отрицательной исчезает. При совпадении частот fx = fo на экране появляется только половина круга (см. рисунок 6.2,б). Если частоты не совпадают, то количество штрихов в круге говорит о превышении исследуемой частоты над круговой (образцовой) в n раз.

 

6.2 Порядок выполнения работы

 

1) Осуществить запуск программы LabVIEW и открыть файл «Измерение частоты.vi» (см. рисунок 6.3).

 

 

Рисунок 6.3 – Лицевая панель лабораторного стенда в LabVIEW

 

2) В программе на входе У уже задана частота fХ. Переключатель «Умножитель частоты» установить в положение 1. Плавно изменяя частоту на входе Х в сторону увеличения, добиться неподвижной фигуры. Нажать кнопку «STOP».

3) Снять копию экрана осциллографа и по формуле (6.1) рассчитать неизвестную частоту fХ входного сигнала.

4) Переключатель «Умножитель частоты» установить в положение 2. Плавно изменяя частоту на входе Х в сторону увеличения, добиться неподвижной фигуры.

5) Снять копию экрана осциллографа и по формуле (6.1) рассчитать неизвестную частоту fХ входного сигнала.

6.2.1 Задание.

Определить частоты входного сигнала по методу синусоидальной развертки с помощью  фигур Лиссажу.

 

6.3 Контрольные вопросы

 

1) В чем заключается принцип действия ЭО?

2) Чем отличается непрерывная от ждущей развертки?

3) В каких случаях применяется синусоидальная развертка?

4) Как определяется частота импульсов?

5) Что такое круговая (эллиптическая) развертка?

6) Для каких сигналов применимы фигуры Лиссажу?

 

 

 

Список литературы 

1. Боридько С.И. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. /Под ред. Б.Н.Тихонова – М.: Горячая линия - Телеком, 2007. – 374 с.

2. Никифоров А.Д. Метрология, стандартизация и сертификация. - М.: Высшая школа, 2003. – 422 с.

3. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. – М.: Высшая школа, 2001. - 205 с.

4. Евдокимов Ю.К. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.

5. Визильтер Ю.В. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на LabView и IMAQ Vision. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 464 с.

6. Загидуллин Р.Ш. LabView в исследованиях и разработках. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 352 с.

 

Содержание 

1 Введение                                                                                                                   3

2 Лабораторная работа №1                                                                                        4

3 Лабораторная работа №2                                                                                        6

4 Лабораторная работа №3                                                                                        9

5 Лабораторная работа №4                                                                                      12

6 Лабораторная работа №5                                                                                      15

7 Лабораторная работа №6                                                                                      19

Список литературы                                                                                                  23