Узбекское агентство почты и телекоммуникаций

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра « Измерения в технике связи »

Компьютерная программа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДОБРОТНОСТИ ( Q - МЕТРА )

Методическое руководство для выполнения

лабораторной работы № 18 на основе компьютера

ТАШКЕНТ 2002

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторная работа предназначена для студентов дневного и заочного факультетов по дисциплине " Электрорадиоизмерения" кафедры ИТС.

Методическое руководство выполнено в виде программного обеспечения для работы с измерительным комплексом на основе ЭВМ , с помощью которого производится математическое моделирование реальных процессов при реализации измерительных приборов для оценки параметров двухполюсников

Руководство содержит необходимые теоретические сведения и программу практических исследований . За основу математической модели принята структура построения промышленного прибора типа Е4-11, предназначенного для оценки параметров различного вида двухполюсников. Кроме этого, с учетом возможностей компьютера, в структуру прибора установлены двухлучевой осциллограф, а также блок автоматической обработки измерительной информации с отображением результатов на специальном экране в виде динамического графика.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучение принципа работы измерительных приборов для оценки параметров двухполюсников.

2. Исследование резонансного метода измерения параметров двухпролюсников.

3. Исследования методов измерения реактивной составляющей, активного сопротивления и собственной емкости катушек индуктивности.

4. Исследование методов измерения емкости и полного эквивалентного сопротивления двухполюсников.

5. Оценка добротности резонансных фильтров и волнового сопротивления двухполюсников.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Резонансный метод измерения параметров двухполюсников реализуется в промышленных приборах Q - метрах, отсчетная шкала которых градуирована в единицах добротности Q.

Основу прибора составляют высокочастотный измерительный генератор, последовательный резонансный контур и специальный Q-вольтметр, который подключается параллельно образцовому блоку

конденсаторов. Генератор перестраивается в радиочастотном спектре от 30 до 400 МГц и вырабатывает синусоидальные колебания с нормированным значением амплитуды в рабочем диапазоне.

Измерительный контур содержит элементы согласования с генератором и Q-вольтметром, а также специальные клеммы для подключения образцовых и исследуемых двухполюсников. Шкала вольметра непосредственно градуирована в единицах добротности.

В компьютерной математической модели прибора установлен двухлучевой осциллограф, при этом один канал вертикального отклонения подключен к выходу генератора, а другой к выходу измерительного контура, Таким образом, на экране осциллографа отображаются две осциллограммы, соотношение размаха амплитуд которых равно значению добротности Q.

Увеличен частотный диапазон генератора от 5 до 500 МГц, а также пределы изменения емкости образцового конденсатора Со

от 5 до 300 пФ .

Как уже отмечалось установлен также блок автообработки, с помощью которого быстро и точно производится настройка в резонанс измерительного блока.

Как известно при резонансе имеют место сотношения:

Lk * w = 1 / (Ck * w ); Q = ( w * Lk ) / Rk = 1 / ( w * Ck * Rk ) .

где : Rk- сопротивление потерь; Lk- индуктивность контура;

Ck- емкость контура; Q- добротность контура;

w- круговая частота, равная произведению 2pi*Fo;

Fo- частота резонанса.

Резонансная частота контура Fo определяется уравнением

Fo = 1 / [ 2pi * SQRT ( Lk * Ck ) ].

Примечание. Здесь и далее в формулах используются математические символы написания вычислительных программ.

В частности SQRT ( X ), SQR ( X ) означают соответственно, извлечение квадратного корня и возведение в квадрат числа " X ".

На основании вышеприведенных формул расчитываются параметры

Lk = 1 / [ Ck * SQR ( 6.28 * Fo ) ]

Rk = 1 / ( 6.28 * Fo * Q ).

Вычисление собственной емкости катушек индуктивности производится по двум резонансным частотам F1 и F2

SQR ( F1 ) = 1 / [ SQR ( 6.28) *Lk * ( C kат + C1 ) ]

SQR ( F2 ) = 1 / [ SQR ( 6.28) *Lk * ( C kат+ C2 ) ]

где С1 и С2 два значения образцового конденсатора, соответствующие двум резонансным частотам F1 и F2.

Если обозначить отношение двух частот

SQR ( F2 ) / SQR ( F1 ) = n =( C kат + C1 ) / ( C kат + C1 ) ,

тогда

C kaт = ( C1 - n*C2 ) / ( n - 1 ).

При определении емкости исследуемого двухполюсника вначале определяется резонансная частота Fo образцового контура. Затем двухполюсник подключают параллельно блоку образцового конденсатора. Общая емкость контура увеличилась на искомую величину Сх, поэтому необходимо компенсировать внесенную емкость

уменьшая значение Со до тех пор, пока не восстановиться резонанс на частоте Fo. Разность в показаниях образцового конденсатора и есть искомое значение Сх.

Используя различные комбинации включения образцовых и исследуемых двухполюсников на основе экспериментальных данных расчитываются волновое сопротивление кабельных отрезков, полное сопротивление резонансных систем, затухание в коаксиальных линиях и другие параметры.

Структурно-функциональная схема измерительной установки приведена на рис.1 Принципиальная схема измерительного контура приведена на рис. 2.

На рис. 1 показаны все функциональные блоки и функциональные связи. Амплитуда выходного напряжения строго нормирована, для чего в схему введены цепи автоматической регулировки усиления ( АРУ ).

На принципиальной схеме показаны согласующие элементы C1, C2, L1, L2, которые ограничивают влияние параметров генератора на измерительный контур. Делитель С5, С6 ограничивает вносимые потери в контур со стороны вольтметра. На схеме также показаны цепи для выходного напряжения, сигнала для работы АРУ и сигнала, выводимого на контрольное гнездо.

Рис.1. Структурная схема.

Рис.2. Схема измерительного контура.

Рабочие панели компьютерной программы показаны на фиг.1,

фиг. 2 и фиг. 3 , непосредственно полученные с экрана дисплея ЭВМ. На фиг 1 показана основная панель, панель Q- вольтметра. На фигурах показаны органы управления, кнопки для переключения режима работы, выбора образцовых катушек, органы настройки генератора и образцового конденсатора. При нажатии кнопки " График " на экран выводится информация о частоте настройки генератора и фактическом значении резонансной частоты, при совмещении цифровых окон наступает резонанс измерительного контура. Это позволяет производить быструю и точную настройку системы при проведении исследований. При переключении катушек на панель выводится необходимая информация о параметрах катушки , при которых рекомендуется проводить измерения. Дополнительно установлена кнопка для контроля величины резонансной частоты.

Все органы управления имеют необходимые надписи об их назначении.

Перед началом проведения экспериментальных исследований нужно внимательно изучить компьютерную программу непосредственно на экране дисплея. При первом запуске программы в измерительный контур автоматически подключается катушка № 1 и открывается панель для работы с Q- вольтметром.

Для подготовки качественного отчета компьютерная программа имеет встроенную программу для обработки экспериментальных данных. Поэтому студентам рекомендуется дома подготовить все необходимые материалы для оперативной подготовки отчета непосредственно на рабочем месте.

Фигура 1. График математической обработки информации

Фигура 2. Панель прибора для работы с Q- вольтметром

Фигура 3. Осциллографическая панель.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Определение добротности резонансного контура

При запуске компьютерной программы автоматически в схему

измерительного контура подключается катушка индуктивности №1.

Шкалу настройки частоты образцового генератора установите на отметку Fo =30 МГц. и подключите модуль образцовой емкости.

1.1. Произведите настройку контура в резонанс с помощью блока образцовой емкости Со по максимальному значению величины добротности Q. Для более точной настройки необходимо зафиксировать максимальное значение добротности при максимально возможной чувствительности вольтметра, шкала которого непосредственно оцифрована в значениях Q. Нажмите кнопку " График " и с помощью блока математической обработки информации установите точное значение резонансной частоты.

1.2. Далее включите Q-вольтметр кнопкой " Q-вольтметр " и

нажмите кнопку " Зафиксировать ". В результате проведенных

операций на шкале вольтметра появятся две отметки. Одна отметка красного цвета соответствует максимальному значению Q, а другая,

( синего цвета ) значению добротности на уровне 0,707 от максимальной величины. В таблицу 1 запишите значения максимальной добротности Q, частоты резонанса Fo и величины емкости Со.

1.3. Далее нужно произвести расстройку контура в обе стороны относительно Fo, уменьшая и увеличивая емкость Со относительно номинального значения.

Уменьшите значение Со так, чтобы стрелка Q-вольтметра установилась на отметку 0,707. Запишите величину С1 в таблицу 1.

Увеличьте емкость Со так, чтобы стрелка прибора снова установилась на отметку 0,707 от максимума. Второе значение емкости С2 также запишите в таблицу 1.

1.4. Восстановите резонанс контура в соответствии с пунктом 1.1, включите кнопку " Q- вольтметр " и произведите расстройку контура, изменяя частоту генератора Fo в сторону уменьшения и увеличения, фиксируя показания Q-вольтметра по значению добротности на уровне 0,707 от максимума. Полученные частоты F1 и F2 также запишите в таблицу 1. По полученным экспериментальным данным нужно рассчитать добротность контура по формулам

Q1 = 2С/ ( С2 - С1 ) ; ( 1 ) Q2 = Fo / ( F2 - F1). ( 2 ).

Определите среднее арифметическое значение

Q ср. = ( Q + Q1 + Q2 ) / 3. ( 3 ).

Вычислите относительную величину погрешности измерения добротности по формуле

g = 100 * (Q - Q ср.) / Q ср ( % ) ( 4 ).

Расчетные данные запишите в таблицу 2.

Таблтца 1.

______________________________________________________________

№ катушки Fo Co Q C1 C2 F1 F2

МГц пФ пФ пФ МГц МГц

______________________________________________________________

Таблица 2.

______________________________________________________________

№ катушки Q Q1 Q2 Q ср g ( % )

______________________________________________________________

_1_____________________________________________________________2_____________________________________________________________3_____________________________________________________________4_____________________________________________________________5_____________________________________________________________6____________________________________________________________

Повторите все операции экспериментальных исследований в

соответствии с пунктами 1.1….1.4, поочередно включая в схему

измерительного контура катушки под номерами 2, 3, 4, 5 и 6. При переключении катушек частота генератора Fo указывается на панели прибора в левой части рабочего стола.

Примечание. Частота Fo для катушки № 4 устанавливается

по указанию преподавателя.

2. Определение собственной емкости катушки .

2.1 Установите емкость конденсатора на отметку 150 пФ. Подключите к контуру катушку № 1 Используя показания

Q-вольтметра настройте генератор на резонансную частоту Fo. Запишите значения С1 = 150 пФ в таблицу 3. Перестройте генератор на частоту F1 = 2 Fo. Путем уменьшения величины емкости блока конденсатора снова настройте контур в резонанс.

Зафиксируйте положение конденсатора и значение С2 запишите

в таблицу 3.

Далее произведите расчет собственной емкости катушки по формуле

С x = ( C1 - 4 C2 ) / 3 ( 4 ).

Выполните аналогичные операции для катушек № 2 и № 3.

Экспериментальные и расчетные данные запишите в таблицу 3.

Таблица 3.

_________________________________________________________

Номер катушки С1, пФ С2, пФ Сх. пФ

__________________________________________________________________1________________________________________________________2________________________________________________________3_______________________________________________

3. Измерение индуктивности катушки резонансного контура

3.1. Подключите катушку № 6, установите частоту генератора

Fo=30 Мгц и с помощью блока конденсатора настройте контур в резонанс. Запишите в таблицу 4 значения Со, Fo , Q и выполните расчеты по формулам

L к = 1 / [ sqr ( 6,28 Fo ) Co ] ; R к = 1 / ( 6,28 Fo Co Q ).

3.2. Выполните аналогичные измерения для катушек № 5 , № 4

и все данные запишите в таблицу 4

Таблица 4.

_________________________________________________________

Номер катушки Сo Fo Q L к R к

пФ МГц мкГн Ом

___________________________________________________________________6__________________________________________________________5__________________________________________________________4__________________________________________________

4. Измерения полного эквивалентного сопротивления двухполюсника

В качестве исследуемого двухполюсника используем блок образцового конденсатора. Определим активные потери и полное сопротивление двухполюсника.

4.1. Выключите блок образцового конденсатора и включите в измерительную схему катушку № 1. Настройте схему в резонанс перестройкой частоты генератора и запишите значение добротности катушки Q1, а также частоту резонанса Fo .

4.2. Включите в схему блок конденсатора Со и установите значение емкости Со = С2 = 20 пФ. Снова перестройкой частоты генератора настройте схему в резонанс и запишите новое значение добротности Q2.

Из таблицы 3 запишите значение собственной емкости для катушки

№ 1 Сх = С1 и определите сопротивление активных потерь по формуле

R х = [1/ ( 6,28 Fo C1 ) ] * [ ( Q1*Q2 ) / ( Q1 + Q2 ) ] ,

поскольку значение С2 > С1 и реактивная составляющая носит емкостной характер.

Полное сопротивление определите по формуле

Z = (-- R x j X c ) / ( R x + j X c ),

где X c = 1 / [ j 6,28 Fo ( C2 - C1 ) ] .

Примечание. Если преобладает индуктивная составляющая, тогда расчет производится по формуле

L x = 1/ ( 6,28 Fo ) * ( 6,28 Fo ) * ( C2 - C1 ).

Z = ( R x j X k ) / ( R x + j X k ),

где X k = j 6,28 Fo L x .

5. Исследование добротности резонансного LC - контура

от величины емкостной реактивной составляющей

Добротность определяется соотношением амплитуды сигнала на выходе к амплитуде сигнала генератора, нагрузкой которого является резонансный LC -контур.

Для измерения амплитуды сигналов можно использовать осциллографический модуль, который имеет два одинаковых канала

" Y ". Чувствительность каналов установлена с помощью встроенного

калибратора. Если уравнять амплитуды на экране осциллографа, то значение добротности будет определяться отношением коэффициента отклонения канала " Y2 " к коэффициенту отклонения канала " Y1 ".

5.1. Включите кнопки " Осциллограф" и " Масштабная сетка. Включить", а также кнопку синхронизации развертки " Применить".

5.2. Подключите к измерительному контуру катушку № 5 .

5.3. Установите емкость конденсатора Ск, равной 20 пФ.

5.4. Изменяя частоту генератора установите резонанс LC - контура.

5.5. Регулировкой чувствительности канала " Y2 " уравняйте по

размаху осциллограммы на экране осциллографа. Запишите в таблицу 5 коэффициенты чувствительности каналов Ку 1 и Ку 2 Оцените отношение

Q = Ky 2 / Ky 1

Запишите значение Q в таблицу 5.

Далее повторите измерения добротности для значений конденсатора Ск , которые указаны в таблице 5.

Таблица 5. Исследование функции Q = f (Cк ) . Катушка № 1

______________________________________________________________

Ск, пФ 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

______________________________________________________________

__К у1________________________________________________________

__К у2________________________________________________________

__Q___________________________________________________________

5.6. Повторите измерения для катушки № 2

Таблица 6. Исследование функции Q = f (Cк ) . Катушка № 2

______________________________________________________________

Ск, пФ 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

______________________________________________________________

__К у1________________________________________________________

__К у2________________________________________________________

__Q___________________________________________________________

5.7. Постройте график зависимости Q = f (Cк ). Проведите анализ и выводы запишите в рабочую тетрадь.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы и теоретические сведения о принципах и методах измерения параметров двухполюсников.

2. Структурная схема измерительной установки и описание принципа

работы функциональной схемы.

3. Экспериментальные данные и вычисленные значения, представленные в таблицах 1…6.

4. Выводы и заключение

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается принцип резонансного метода измерения параметров двухполюсников ?

3. Укажите параметры двухполюсника, которые измеряются прямыми

и косвенными методами.

3. Поясните принцип построения измерителей добротности и укажите отличительные признаки компьютерной реализации лабораторной установки.

4. Поясните характер изменения добротности резонансного контура в зависимости от частоты.

5. Укажите область применения измерителя добротности, типа Е4-11.

Компьютерная программа

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДОБРОТНОСТИ ( Q - МЕТРА )

Методическое руководство для выполнения

лабораторной работы № 18 на основе компьютера

Программа обсуждена и рекомендована к размножению

на заседании кафедры « Измерения в технике связи »

Протокол № от 2002 г.

Составитель, доцент, к.т.н. Копров А.И.

Редакционно-издательский сектор

Редактор д.ф-м.н. Арипов Х.К.

Корректор ст. преп. Халилова Р.С.

Типография ТУИТ. Зак.