Безынерционные измерительные преобразователи

Лабораторные работы выполняются с использованием программ Electronic Workbench и Simulink (пакет MATLAB).

Каждый студент выполняет свой вариант предварительного отчета по номеру в журнале группы. Необходимые данные для подготовки предварительного отчета приведены в таблицах в описании лабораторных работ.

Исполнительным является предварительный отчет, дополненный результатами работы в лаборатории и выводами.

Безынерционные измерительные преобразователи

1. Изучение принципов действия линейных и нелинейных безынерционных активных измерительных преобразователей (АИП): сумматоров, триггеров Шмитта, выпрямителей, усилителей-ограничителей.

2. Выбор схем реализации преобразователей, расчет параметров элементов схем.

3. Построение функциональных характеристик.

1. Выбор схем реализации преобразователей, расчет параметров элементов схем.

2. Построение осциллограмм на выходе АИП при заданных входных сигналах.

3. Расчет и построение проходных характеристик усилителя-ограничителя, триггера Шмитта, выпрямителя.

В таблице Э1.1 задаются амплитудные значения переменного напряжения промышленной частоты.

Методические указания. Изучить описание программы Electronic Workbench. Изучить принцип действия безынерционных АИП (с.14-28 [1], с.8-21 [2]).

К п.1. Принципиальные схемы заданных АИП и формулы для расчета параметров элементов схем представлены в [1,2]: сумматор на рис.1.5[1] или рис.1.6, 2.1 а,б[2], выпрямители на рис.1.6б[1] или рис.2.3 [2], триггер Шмитта на рис.1.10 б [1] или рис.2.9 [2], для получения схемы усилителя-ограничителя использовать схему на рис.1.8 д [1], в которой параллельно стабилитронам подключить R2, резистор R1 находится во входной цепи. Выбрать свой вариант схем и нарисовать в отчете.

Для схемы сумматора по знаку коэффициентов определить используемый вход ОУ, а по их значениям вычислить значения резисторов, реализующих заданные коэффициенты [1, с.17-21], [2, с.12-15]. Если при расчете значения резисторов получены отрицательные, целесообразно использовать схему инвертирующего сумматора с предварительной инверсией слагаемого.

Для схемы триггера Шмитта рассчитать одно из сопротивлений, обеспечивающее заданное значение U _ос [1, с.27], [2, с.21].

В схеме усилителя-ограничителя необходимо обеспечить заданный коэффициент преобразования, для расчета использовать [1, (1-4)] или [2, (1-5)].

К п.2. Нарисовать поданные на входы АИП сигналы: для сумматоров и выпрямителей – заданные в таблице Э1.1, для остальных – сигналы переменного напряжения промышленной частоты с амплитудой больше U_ст для усилителя-ограничителя и напряжения действия для триггера Шмитта. На этом же рисунке другим цветом показать выходные сигналы преобразователей.

К п.3. Изучить проходные характеристики выпрямителя, усилителя-ограничителя, триггера Шмитта и построить их в соответствии с заданными параметрами элементов.

1. Общие указания. Собрать заданную схему АИП. Подключить заданные сигналы на входы схем (п.2 предварительного отчета), осциллограф (вход А подключается на вход АИП, а вход В - на выход схемы). Провести настройку расчетных режимов АИП и режимов работы осциллографа.

2. Исследование усилителя-ограничителя. При заданном входном сигнале зарисовать осциллограммы, по осциллограммам определить напряжение стабилизации U _ст усилителя-ограничителя. Включить режим работы осциллографа В/А, зарисовать проходную характеристику на соответствующем рисунке предварительного отчета. Сравнить с проходной характеристикой предварительного отчета и пояснить результаты.

3. Исследование сумматоров. В ход А осциллографа подключается попеременно на входы сумматора. Зарисовать осциллограммы, сравнить с осциллограммами предварительного отчета.

4. Исследование триггера Шмитта. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов, по осциллограммам определить входное напряжение действия и отпускания триггера, по этим значениям построить проходную характеристику. Рассчитать коэффициент отпускания, равный отношению входного напряжения отпускания к входному напряжению действия. Включить режим работы осциллографа В/А, зарисовать проходную характеристику на соответствующем рисунке предварительного отчета. Сравнить с проходной характеристикой предварительного отчета и пояснить результаты.

5. Исследование выпрямителя. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов. Включить режим работы осциллографа В/А, зарисовать проходную характеристику на соответствующем рисунке предварительного отчета. Сравнить с проходной характеристикой предварительного отчета и пояснить результаты.

Инерционные измерительные преобразователи на операционных усилителях

1. Изучение принципов действия линейных инерционных активных измерительных преобразователей (АИП): фазоповоротных схем (ФПС), фильтров нижних частот (ФНЧ) и полосовых (ПФ).

2. Выбор передаточных функций и схем реализации преобразователей, расчет параметров элементов схем.

1. Определение передаточных функций заданных АИП и расчет параметров элементов схем их реализации.

2. Расчет и построение частотных характеристик.

К п.1. Принципиальные схемы заданных ФПС, их передаточные функции H(p) и формулы для расчета параметров элементов схем представлены в табл.3.4 [2]. Выбрать свой вариант схемы по знаку фазового сдвига (табл.Э2.1) и нарисовать в отчете. Передаточные функции полностью определяются коэффициентами Н₀, Т, Т₁. По заданному на промышленной частоте фазовому сдвигу рассчитываются значения элементов схем.

Принципиальные схемы заданных ФНЧ и ПЧФ, их передаточные функции H(p) и формулы для расчета параметров элементов схем представлены в табл.3.9 и 3.10 [2]. Обратная связь (ОС) №1 является многопетлевой, а. №2 – однопетлевой обратной связью. Выбрать свои варианты схем и нарисовать в отчете. Коэффициенты b ₁и b ₂ по заданным постоянным времени фильтра Т (табл.Э2.1) определяются из (3.24) [2] при w_св₌w_п и из (3.4) [2] при w_св¹w_п; Расчет параметров элементов производится в соответствии с приведенными в табл.3.9 и 3.10 [2] выражениями. Для ФНЧ Н(0)=1.

К п.2. Частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ) ФПС и ЧФ рассчитываются с использованием соотношений табл.3.1 и 3.7 [2] при изменении относительной частоты n=w/w_п в диапазоне n=0¸10.

I. Общие указания. Собрать заданную схему АИП. Подключить источник контрольных сигналов (ИКС) на вход схемы, осциллограф (вход А подключается на вход, а вход В - на выход схемы), анализатор спектра, у которого к клемме IN подключается вход схемы, а к клемме OUT – выход схемы.

Провести настройку расчетных режимов и режимов работы осциллографа и анализатора спектра. На анализаторе спектра установить режим линейного измерения амплитудной и фазовой характеристик (АЧХ и ФЧХ).

Изменение заданных параметров производится в 2 раза в сторону уменьшения для четного варианта и увеличения для нечетного варианта.

1. Зарисовать переходную характеристику при заданных параметрах схемы. Для этого на ИКС установить режим прямоугольных импульсов, длительность которых должна быть больше длительности переходного процесса. По осциллограмме определить время переходного процесса.

Зарисовать частотные характеристики. Для этого на ИКС установить режим синусоидальных сигналов, частота входного сигнала устанавливается равной 50 Гц, а фаза – ноль. Сравнить значения АЧХ и ФЧХ на частоте 50 Гц, полученные по осциллограмме и на анализаторе спектра. Дважды изменить в заданном направлении значение сопротивления резистора R, в обоих случаях зарисовать АЧХ и ФЧХ. Все частотные характеристики зарисовываются на соответствующих графиках домашней подготовки. По результатам измерений построить зависимость фазового сдвига от величины постоянной времени Т=R∙C на частоте 50 Гц. Записать выводы.

2. Изменить значение сопротивления в заданном направлении в цепи обратной связи. Зарисовать частотные характеристики. Записать выводы.

1. Исследование ФНЧ. Зарисовать переходную характеристику при заданных параметрах схемы. По осциллограмме определить время переходного процесса. Зарисовать АЧХ и ФЧХ, по АЧХ определить полосу пропускания. Дважды изменить заданный параметр в заданном направлении, зарисовать частотные и переходную характеристики, определить время переходного процесса и полосу пропускания для каждого изменения. Все частотные характеристики зарисовываются на соответствующих графиках домашней подготовки.

Вычислить произведение длительности переходного процесса на полосу пропускания фильтра при всех значениях изменяемого параметра, зарисовать зависимость. Записать выводы.

1.Изучение принципов действия цифровых нерекурсивных фильтров, формирователей ортогональных составляющих (ФОС).

2. Определение разностного уравнения, передаточной функции, алгоритма работы и схемы реализации заданных элементов.

3. Расчет переходных и амплитудно-частотных характеристик.

5. Компьютерное исследование цифровых элементов.

1.Изучить основные сведения о программе Simulink (пакет

MATLAB) и характеристики используемых элементов.

Math Operations– блоки математических операций:блок вычисления суммы Sum, блок умножения Product, усилители Gain,блок вычисления математических функций Math Function;

Continuous – аналоговые блоки: блок фиксированной задержки сигнала Transport Delay;

Sources -источники сигналов: генератор ступенчатого сигнала Step, источник синусоидального сигнала Sine Wave;

SimPowerSystems – Extra Library – Discrete Measurements – Discrete Fourier.

К п.2. Записать разностное уравнение нерекурсивного фильтра заданного порядка, используя общий вид уравнения простейшего фильтра с единичными коэффициентами:

где N – заданный порядок фильтра, Т – интервал дискретизации.

По разностному уравнению изображается алгоритм работы фильтра (рис.3.1).

Рис.3.1.Алгоритм нерекурсивного фильтра 3-го порядка.

Передаточная функция данного фильтра в общем виде записывается, как:

При подстановке в передаточную функцию z=exp(jωT) формируется комплексная частотная характеристика H(jω), модуль которой является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) H(ω).

На рис.3.2 в качестве формирователя ортогональной составляющей U _c (Subsystem) использовать заданную схему ФОС. Схема вычисления амплитуды с использованием ортогональных составляющих формируется по формуле

, где U _s, U _cсинусная и косинусная составляющие комплексного сигнала.

К п.3. Переходная характеристика строится по разностному уравнению при подаче на вход единичного скачка. АЧХ строится в диапазоне частот 0÷2π/Т. При построении АЧХ использовать вспомогательные программы, типа Mathcad, Simulink (Matlab). По характеристике определить частоту, на которой наблюдается первый ноль ω_0,1, значение H(ω_пр). В схеме рис.3.2 в усилитель поставить коэффициент, обратный значению H(ω_пр).

К п.4. АЧХ фильтра Фурье описывается формулой [5]

, здесь T – интервал дискретизации,

– количество выборок на период основной частоты.

Построить зависимость H(ω) в диапазоне частот 0÷2π/Т. При построении АЧХ использовать вспомогательные программы, типа Mathcad, Simulink (Matlab). Определить значение коэффициента преобразования на частоте ω_пр и количество нулей АЧХ.

При исследовании цифровых элементов не учитываются особенности цифровой обработки, связанные с квантованием по уровню, т.е. работой АЦП. Исследуется основная особенность цифровых элементов, вызванная дискретизацией по времени.

1.Исследование временных и частотных характеристик нерекурсивного фильтра. Для этого собрать схему рис.3.1 для заданного порядка фильтра. В элементах задержки установить заданный интервал дискретизации.

Для снятия переходной характеристики подать на вход единичный скачок. Зарисовать вид выходного сигнала и определить время переходного процесса.

Для оценки частотных характеристик на вход подается синусоидальный сигнал на частотах ω_пр, ω_0,1и измеряется амплитуда выходного сигнала. Вычислить коэффициенты преобразования на этих частотах и отметить точки на теоретической АЧХ предварительной подготовки. Измерить коэффициент преобразования на частоте ω_пр+2π/Т. Сделать выводы.

2. Оценка амплитуды выходного сигнала. Включить последовательно схемы рис.3.1 и рис.3.2. Измерить амплитуду выходного сигнала на выходе фильтра по осциллограмме и на выходе вычислителя амплитуды в 5 точках диапазона частот 2π(40÷60) рад./сек. Сделать выводы о точности вычисления амплитуды.

3. Исследование частотных характеристик дискретного фильтра Фурье. Для этого в схеме дискретного фильтра Фурье установить значение основной частоты и заданный интервал дискретизации. Для оценки частотных характеристик подать на вход синусоидальный сигнал в 5 точках диапазона частот 2π(40÷60) рад./сек. Вычислить коэффициенты преобразования на этих частотах и отметить точки на теоретической АЧХ предварительной подготовки и на характеристике п.3.

4. Собрать схему рис.3.3. На вход подать сумму колебаний u(t)=sin(ω_прt)+sin(ωt), ω=2π(75,100,125,150) рад./сек. Зарисовать осциллограммы вычисления амплитуды. Сделать выводы.

1. Собрать заданную схему ФНОП первого порядка. Подключить к каждому входу необходимую составляющую прямой или обратной последовательностей. В качестве источников напряжения U_ab и U_bc использовать источники синусоидального напряжения, фаза которых устанавливается в соответствии с подключаемой последовательностью.

2. Измерить АЧХ заданного ФНОП первого порядка для прямой и обратной последовательностей. Для этого один вход осциллографа подключается к любому входу фильтра, а второй вход осциллографа на выход схемы. На заданных частотах записываются значения амплитуд входного и выходного сигналов. При формировании последовательностей установить по каждому входу сигналы одинаковой амплитуды, равной 5В. Частоту изменять согласно заданным значениям 25, 50, 100, 200, 350, 500 Гц. Экспериментальные кривые совместить с теоретическими на одном рисунке.

3. В цепи обратной связи исследованного ФНОП1,2 заменить имеющийся двухполюсник на двухполюсник, рассчитанный для фильтра 2-го порядка ФНОП3 предварительной подготовки. Повторить измерения п.2. Измеренную АЧХ нарисовать на рис. п.2. Сделать выводы.

4. Для исследования составляющей небаланса, вызванной отклонением частоты от номинального значения, необходимо измерить отклонение амплитуды выходного сигнала ΔU₁ на частотах 49, 51 Гц для прямой последовательности на входе. Вычислить значение коэффициента небаланса ((4.3) [2]). Сравнить с теоретическим значением γ_f.

Для исследования составляющей небаланса, вызванной технологическим разбросом заданного преподавателем параметра, необходимо изменить его значение на ±d x _i и измерить отклонение амплитуды выходного сигнала ΔU₂ на частоте 50 Гц для прямой последовательности на входе. Вычислить значение коэффициента небаланса ((4.6) [2]).

Для исследования составляющей небаланса, вызванной неидеальностью операционного усилителя, необходимо заменить идеальный операционный усилитель реальным и измерить отклонение амплитуды выходного сигнала ΔU₃ на частоте 50 Гц для прямой последовательности на входе.

Для оценки составляющей небаланса, вызванной высшими гармониками во входном сигнале, сравнить экспериментальные АЧХ фильтров первого и второго порядков на одинаковых частотах.

Сделать выводы о вкладе различных источников небаланса и способах его уменьшения.

5. Собрать схему алгоритма цифрового фильтра обратной последовательности. Для реализации элемента задержки на 1/6 периода Т_п использовать последовательное соединение 8 элементов задержки на Т_п/48, сформированном на элементе H(s), Т48, находящимся, в поле компонентов f. Аналогично п.3 снять АЧХ, отобразить результаты на том же рисунке. Сравнить АЧХ цифрового фильтра обратной последовательности с характеристиками непрерывных фильтров.

Диодные схемы сравнения амплитуд двух синусоидальных ЭДС

1. Изучение принципов действия диодных элементов сравнения амплитуд двух синусоидальных ЭДС.

2. Выбор схем сравнения, расчет параметров элементов схем.

3. Расчет и построение функциональных и информационных характеристик элементов сравнения.

4. Компьютерное исследование элементов сравнения.

1. Собрать рассчитанную схему сравнения. На вход схемы подключить два источника синусоидального напряжения промышленной частоты, на выход схемы – осциллограф, два вольтметра, один из вольтметров работает в режиме измерения DC, а второй – в режиме АС. При исследовании схемы, включенной на циркуляцию токов, вместо вольтметров включить амперметры. Провести настройку расчетных режимов и режимов работы осциллографа. Для заземления используется точка симметрии схемы.

2. Снять проходные характеристики элемента сравнения при трех значениях разности фаз y=0, p/4, p/2. Для этого установить Е₂=5В, при изменении Е₁ от 0 до 30В измерить U _0,вых. Характеристики строятся на одном рисунке. По проходным характеристикам построить граничную линию элемента сравнения.

3. Определить относительный уровень выходного сигнала. Для этого снять зависимости U ₀_,вых=f(y) и U _~,вых=f(y). При измерении установить Е₁=30В и Е₂=5В, а разность фаз изменять в пределах от 0 до p с шагом p/4. Зарисовать осциллограммы на выходе схемы при y=0, p/2. На выходе схемы параллельно R_н установить частотный фильтр, представляющий собой емкость, сопротивление которой на частоте 100 Гц в сто раз и более меньше сопротивления R _н. Повторить измерения зависимостей U _0,вых= f (y) и U _~,вых= f (y). Построить на одном рисунке зависимости U _0,вых= f (y) и U _~,вых= f (y)для схемы сравнения с фильтром и без фильтра.

По результатам измерений вычислить и построить зависимость относительного уровня выходного сигнала от разности фаз.

4. Снять характеристики действия элемента сравнения с НИ. На выход схемы сравнения с фильтром подключить нуль-индикатор (рис.5.1). Управляемый ключ в схеме достаточно точно моделирует работу магнитоэлектрического реле, часто используемого в данных схемах в качестве НИ. Полярность включения НИ должна соответствовать его действию при Е₁ > Е₂, порог включения управляемого ключа соответствует заданному значению U _д,ни, а выключения на 10% меньше.

Снимаются две характеристики: W_д= f (Е₁) при y=0 и (Ė₂/Ė₁)_д= W _д при Е₁=const. При снятии первой характеристики устанавливаются значения Е₁ от 30 до 0 В с шагом 5 В, Е₂уменьшается от установленного значения Е₁ до значения, при котором действует НИ, фиксируются значения Е₂, соответствующие началу и концу вибрации ключа. Строится зависимость Е_2,д=f(Е₁), на рисунке отметить область вибрации и нанести штриховку в области срабатывания. По этим же измерениям вычисляется W_д=(Е₂/Е₁)_д и строится зависимость W_д(Е₁)_.При построении зависимости отметить область вибрации и нанести штриховку в области действия. Сделать выводы о точности сравнения амплитуд,

При снятии второй характеристики устанавливается Е₁=25 В, разность фаз меняется от 0 до 2p с шагом p/4. Для установленной разности фаз y, уменьшать Е₂ от установленного значения Е₁ до значения, при котором действует НИ, фиксируются значения Е₂, соответствующие началу и концу вибрацию ключа. При построении зависимости отметить область вибрации и нанести штриховку в области действия. Установить Е₁=10В и повторить измерения. Характеристики построить на одном рисунке, сделать выводы.

1. Собрать рассчитанную схему сравнения. На вход схемы подключить два источника синусоидального напряжения промышленной частоты, на выход схемы – осциллограф, два вольтметра, один из вольтметров работает в режиме измерения DC, а второй – в режиме АС. В схеме с трансформаторами для идеальных TV установить реальные активные сопротивления первичной и вторичной обмоток (порядка 100 Ом). Для заземления использовать первичную обмотку одного из TV. Провести настройку расчетных режимов и режимов работы осциллографа.

2. Снять проходные характеристики схемы сравнения при двух значениях амплитуды сравниваемых сигналов Е₁=Е_1,ном, Е₂<Е_1,ном/ W _пр и при Е₁=Е₂=Е_1,ном/2. Разность фаз меняется от 0 до p с шагом p/4. Характеристики строятся на одном рисунке. По проходным характеристикам построить граничную линию схемы.

3. Определить относительный уровень выходного сигнала. Для этого снять зависимости U _0,вых= f (y) и U _~,вых= f (y). При измерении установить Е_1,ном и Е₂=5В, а разность фаз изменять в пределах от 0 до p с шагом p/4. Зарисовать осциллограммы на выходе схемы при y=0, p/2.

На выходе схемы установить частотный фильтр, представляющий собой емкость, сопротивление которой на частоте 100Гц в десять раз и более меньше сопротивления Rн. Повторить измерения зависимостей U _0,вых=f(y) и U _~,вых= f (y). Построить на одном рисунке зависимости U _0,вых=f(y) и U _~,вых= f (y) для схемы сравнения с фильтром и без фильтра.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: