Радиоизмерения: Методические указания к выполнению курсовой работы

Камчатский государственный технический университет

2001 УДК 6.03 ББК 30.10 И85

Кафедра радиооборудования судов

Составитель: доцент кафедры радиооборудования судов КамчатГТУ Исакова В.В. Рецензент: кандидат технических наук, профессор кафедры радиооборудования судов КамчатГТУ Дуров А.А.

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ Методические указания к выполнению курсовой работы для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

И85

Радиоизмерения / Сост. В.В. Исакова. – ПетропавловскКамч., КамчатГТУ, 2001. – 27 с. Методические указания к выполнению курсовой работы составлены в соответствии с программой дисциплины «Радиоизмерения» для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». Методические указания к курсовой работе рассмотрены на заседании кафедры радиооборудования судов, 1 сентября 2000 г., протокол № 1.

УДК 6.03 ББК 30.10

Петропавловск-Камчатский

2

© КамчатГТУ, 2001

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Курсовая работа по дисциплине «Радиоизмерения» выполняется курсантами специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». Целью работы является закрепление и углубление знаний по дисциплине, приобретение навыков применения средств и методов измерений для оценки параметров радиотехнических сигналов, цепей и компонентов, определения их характеристик. Задачами курсовой работы является привитие курсантам умения на основе полученных теоретических знаний и практических навыков самостоятельно находить ответ на сложные вопросы, возникающие в практике судового радиоспециалиста при эксплуатации радиоэлектронного оборудования и контрольноизмерительных приборов. Пособие содержит варианты индивидуальных заданий и методические указания по выполнению отдельных этапов курсовой работы. Выполненная работа оформляется в виде пояснительной записки с приложением графической части и сдается преподавателю на проверку. Правильно выполненная работа допускается к защите. Во время защиты курсант должен сделать краткое сообщение по теме и основному содержанию работы, показать ее глубокое понимание и самостоятельность выполнения, ответить на вопросы комиссии (из 2–3 преподавателей кафедры) и присутствующих курсантов.

Введение ....................................................................................... 4 Указания по структуре курсовой работы .................................. 5 Оформление курсовой записки .................................................. 5 Требования к содержанию пояснительной записки ................. 6 Защита курсовой работы ............................................................. 8 Ориентировочный расчет времени ............................................ 8 Варианты индивидуальных заданий .......................................... 9 Литература ................................................................................... 12 Приложение ................................................................................. 13

3

4

УКАЗАНИЯ ПО СТРУКТУРЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Пояснительная записка к курсовой работе выполняется на листах писчей бумаги формата А4 (210×279) без рамок (ГОСТ 7.32-81). Объем пояснительной записки не менее 15–20 страниц рукописного текста. Пояснительная записка должна содержать: – титульный лист (приложение 1); – содержание; – техническое задание на курсовую работу с исходными данными (приложение 2); – введение; Основная часть: а) раздел «Анализ технического задания»; б) расчеты в соответствии с индивидуальным заданием; – заключение; – список используемой литературы. Графическая часть курсовой работы состоит из структурной и принципиальной схем измерительной установки (или чертежа устройства), а также графиков и эпюр, которые, по вашему мнению, будут способствовать организации защиты результатов работы. В графическую часть работы могут входить и другие иллюстративные материалы, предусмотренные индивидуальным заданием. Все чертежи и схемы выполняются на листах основных форматов (А1 или А2) в соответствии с требованиями ГОСТ 2.701-84. Допускается выполнение графической части на масштабно-координатной бумаге с обязательным соблюдением требований ЕСКД. ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ Пояснительная записка выполняется на одной стороне листа писчей бумаги рукописным способом чернилами шариковой ручки или машинописным или компьютерным. Текст следует располагать на расстоянии не менее 25 мм от левого, 8 мм от правого и 10 мм от верхнего и нижнего краев листа (ГОСТ 2.105-68). Содержание пояснительной записки разделяют на разделы, подразделы и, при необходимости, на пункты. Заголовки разделов должны быть выделены: расстояние между заголовком и последующим текстом делается 10 мм. 5

Все страницы нумеруются, номер проставляется в верхнем правом углу страницы. На титульном листе номер не указывается. Пояснительная записка должна иметь опрятный вид без заметных помарок и подчисток. Язык пояснительной записки должен быть кратким, ясным и четким со строгим соблюдением правил правописания, без мало употребляемых иностранных и жаргонных слов и сокращений (кроме общепринятых). В формулах в качестве символов следует применять только обозначения, предусмотренные стандартами. Перед первым употреблением формулы дается ее пояснение. Повторное ее использование допускается без пояснения. Не следует забывать о знаках препинания при написании формул. Текстовые рисунки (схемы, графики и т.д.) рекомендуется выполнять на отдельных листах кальки, ватмана или масштабной бумаги формата А4 черной тушью или чернилами, допускается их выполнение простым карандашом. Все рисунки должны иметь сквозную нумерацию в пределах всей пояснительной записки (например, Рис. 1, Рис. 2 и т.д.). Надписи к рисункам помещаются под ними, а надписи к таблицам – над ними. Перед расчетами указывается литература, из которой взята методика. Ссылка на литературу (порядковый номер по списку) дается в квадратных скобках (без буквы «Л»): [1, 12]. Целесообразно указывать также страницу учебника, на которой приведена методика, формула или иллюстрация (например, [2, стр. 56] ). На последней странице курсовой работы должны быть дата его представления и подпись курсанта. ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ СОДЕРЖАНИЕ является первой страницей записки и включает перечисление всех разделов работы с указанием начальной страницы каждого. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ (на специальном бланке) содержит все параметры, заданные руководителем на курсовую работу (приложение 2). Во ВВЕДЕНИИ дается обоснование актуальности данной темы, указываются возможные области применения результатов выполнения работы. 6

В разделе «АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ» проводится оценка достаточности исходных данных для выполнения курсовой работы, выписываются из справочной литературы основные сведения о методе измерения и аппаратурной реализации прибора, подлежащего разработке. Если исходные данные технического задания делают возможными несколько вариантов выполнения курсовой работы, то путем логических рассуждений осуществляется выбор одного из них. При этом обосновываются и приводятся параметры, необходимые для выполнения уточненного задания, не противоречащего исходному. В случае, если анализ технического задания показал невозможность его реализации, задание на курсовую работу корректируется по согласованию с преподавателем. Приводятся соображения по выбору методов расчета метрологических характеристик прибора, намечаются пути решения поставленных в техническом задании задач. Как правило, это сопровождается рассмотрением 2–3 возможных вариантов и выбором наилучшего, по вашему мнению, по надежности результатов, простоте расчетов. Положения, принятые в этом разделе, являются исходными для дальнейших расчетов. РАСЧЕТЫ, их обоснования, пояснения и выводы представляют собой грамотно написанный отчет о проделанной работе, а не сводку использованных в работе формул. При выполнении расчетов используются, как правило, усредненные параметры и числа, поэтому запись результатов с большим количеством значащих цифр – грубая ошибка. Будущий инженер должен уметь оценивать результат не с точки зрения калькулятора, а по исходному материалу, положенному в основу расчетов. Не имеет смысла приводить и промежуточные преобразования алгебраических выражений (приведение к общему знаменателю, раскрытие скобок и т.д. ), если при этом не применяются оригинальные решения. Многократные вычисления по одной формуле разными числовыми параметрами целесообразно выполнять на калькуляторе или ЭВМ, при этом следует приводить в пояснительной записке программу и результаты расчетов. В ЗАКЛЮЧЕНИИ кратко анализируются полученные результаты и намечаются пути их использования, выходящие за пределы 7

технического задания. Можно привести и собственные рассуждения о полезности данной курсовой работы в процессе изучения дисциплины «Основы метрологии и радиоизмерения», высказать пожелания по изменению тематики курсовой работы. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ содержит название книг, журнальных статей и других опубликованных материалов, использованных при выполнении курсовой работы в алфавитном порядке. ЗАЩИТА КУРСОВОЙ РАБОТЫ Работа представляется руководителю для проверки за 2–3 дня до защиты. Защита проводится, как правило, перед комиссией, в состав которой входит не менее двух преподавателей. В обсуждении работы могут принимать участие все присутствующие курсанты, которые могут задавать вопросы по курсовой работе и высказывать о ней свое мнение. В докладе (не более 5 минут) курсант должен сообщить об основном содержании технического задания: обосновать выбранное решение поставленной задачи и все этапы проделанной работы. Не следует излишне детализировать доклад описанием известных положений. Необходимо обратить внимание на оригинальные решения. Ответы на задаваемые вопросы должны быть краткими и четкими. При защите курсовой работы могут задаваться и теоретические вопросы по дисциплине. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ При выполнении курсовой работы рекомендуется определенная последовательность действий: 5 % – 3-я и 4-я недели – изучение задания, подбор литературы, предварительный расчет; 25 % – 6-я – 8-я недели – расчеты по индивидуальному заданию; 50 % – 12-я и 14-я недели – построение результирующих характеристик, корректировка расчетов; 100 % – 18-я и 20-я недели – оформление пояснительной записки и графической части курсовой работы и представление их на проверку. 8

Ориентировочный баланс времени: выбор методов анализа, предварительный расчет – 8– 10 часов; – расчеты по индивидуальному заданию – 15–20 часов; – построение графиков, характеристик – 6–8 часов; – оформление пояснительной записки, изготовление чертежей – 6–8 часов. –

ВСЕГО – 35–45 часов. ВАРИАНТЫ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ Исходные данные для курсовой работы выдаются преподавателем из числа приведенных ниже вариантов или разрабатываются курсантом самостоятельно при обязательном согласовании с преподавателем. При досрочной работе курсант выбирает вариант по своему номеру в списке группы по учебному журналу. Для выбранного варианта проводится полный анализ метода измерения, оценка возможности его реализации, разработка прибора или измерительной установки и определение метрологических характеристик, для чего необходимо: 1. На основании законов физики разработать (или пояснить) алгоритм работы измерительной установки; 2. Составить структурную схему прибора (измерительной установки), реализующего выбранный метод измерения; 3. Разработать принципиальную схему прибора, максимально используя типовые радиоэлектронные и электрические компоненты и функциональные узлы; 4. Выполнить расчет элементов прибора, влияющих на его метрологические характеристики (делители напряжения, измерительные трансформаторы, шунты, добавочные сопротивления и т.д.); 5. Выполнить расчет основных метрологических характеристик разработанного прибора: диапазон измерений, чувствительность, погрешности измерений, быстродействие, влияние прибора на объект измерения и т.д.; 6. Описать процесс измерения (правила пользования прибором); 7. Выполнить графическую часть курсовой работы. 9

ВАРИАНТЫ С 1 ПО 6 На основе осциллографа-мультиметра С1-112А и генератора Л-31 разработать установку для определения амплитудночастотной характеристики частотно-избирательной цепи (фильтра), параметры которой приведены в таблице 1. Таблица 1 № варианта Тип фильтра Средняя частота настройки, кГц Максимальная полоса пропускания на уровне 0,7, кГц Минимальная полоса пропускания на уровне 0,7, кГц Допускается относительная погрешность измерения АЧХ, % Входное сопротивление фильтра, Ом Выходное сопротивление фильтра, Ом Затухание фильтра на частоте настройки дБ Максимальный коэффициент прямоугольности Кп

1 Полос

2 Полос

3 Полос

4 Полос

5 ФНЧ

6 ФНЧ

465

500

6500

2000

16

3

100

50

20

3

5

2

30

30

6

2

10

10

15

10

20

20

1000

3000

75

50

10000

5000

1000

1000

75

150

500

500

20

20

10

10

6

6

3

4

2,5

5

3

2

ВАРИАНТЫ С 7 ПО 12 На основе осциллографа-мультиметра С1-112А и генератора Г4-18 разработать установку для измерения параметров индуктивного (или емкостного) элемента номинального значения и тангенса угла потерь на заданной частоте. Основные параметры установки приведены в таблице 2. 10

№ варианта

7

Элемент подлежащий измерению Средняя частота измерения Максимальное значение параметра L (мГн), С (пф) Минимальное значение параметра L (мГн), С (пф) Допускается относительная погрешность измерения параметра Максимальное значение tg Допускается относительная погрешность измерения tg

8

9

10

Таблица 2

ЛИТЕРАТУРА

12

1. Винокуров В.И. Электрорадиоизмерения / Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1986. – 351 с. 2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин / Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1989. – 384 с. 3. Фремке А.В. Электрические измерения. – Л.: Энергия, 1980. – 392 с. 4. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения / Учебник для вузов по специальности «Радиотехника». – Мн.: Высшая школа, 1986. 5. Кобзев В.В., Агеев В.И., Баленко Ю.К. Контрольноизмерительные приборы. Справочник. – М.: Воениздат, 1989. – 471 с.

11

Катушка индуктивности

Конденсатор

465

35000

6500

2000

6500

35000

10

0,5

3

1500

1000

250

0,1

0,005

0,05

10

10

2

4

4

3

4

3

5

0.1

0.2

0.1

0.1

0.1

0.1

5

5

5

5

5

5

ВАРИАНТЫ С 13 ПО 18 На основе осциллографа С1-65 разработать установку для определения статических характеристик полупроводниковых приборов (диодов и биполярных и униполярных транзисторов) – характериограф, параметры которого приведены в таблице 3. Таблица 3 № варианта Полупроводниковый прибор Наибольший ток, мА Наибольшее напряжение на коллекторе (стоке), В Наибольшее обратное напряжение Допустимая относительная погрешность измерения, %

13 Диод выпрямительный

14

15 Транз. Диод бипол. измерималотельный мощный

16 Транз. бипол. средн. мощн.

17 Транз. унип. с р-п перех.

18

100

50

25

100

20

20

–

–

15

50

20

20

200

100

–

–

–

–

10

10

15

10

20

20

Транз. унип. МДП

11

12

Приложение

Камчатский государственный технический университет

«УТВЕРЖДАЮ» Зав. кафедрой ________________ ________________________ 200__ г.

ЗАДАНИЕ на курсовую работу

Кафедра радиооборудования судов

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ Курсовая работа

Руководитель (должность) ____________________________ ФИО «____» _________ 2001 г. Разработчик: курсант гр. ______________________________ ФИО «____» _________ 2001 г. Работа защищена «____» _________ 2001 г. с оценкой ______

____________________________________________________ Курсанту ____________________________ курса _________ факультета __________________________________________ Тема задания ________________________________________ ____________________________________________________ Исходные данные ____________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ Пояснительная записка ________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ Графическая часть ____________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ ____________________________________________________ Дата выдачи ________________ Срок сдачи ______________ Преподаватель____________________ Лист

Петропавловск-Камчатский 2001

Изм.

13

14

Лист

№ докум. Подп.

Дата

ВВЕДЕНИЕ В результате расчета курсовой работы на тему «Измерение вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов», необходимо создать универсальную измерительную установку, предназначенную для опpeдeлeния вольтамперных статических характеристик выпрямительных полупроводниковых диодов и оценить ее метрологические параметры. Тема данной курсовой работы очень актуальна в настоящее время. Это обусловлено тем, что полупроводни-ковые приборы нашли очень широкое применение при конструировании радиоэлектронных устройств в целом. Значительный разброс параметров и характеристик полупроводниковых приборов одного и того же типа вызывает необходимость перед установкой в радиоэлектронное устройство измерять их параметры и характеристики. Для этих целей может быть использована измерительная установка, разработанная в данной работе. Такое устройство может найти широкое применение как в промышленности, создающей полупроводниковые диоды и радиоэлектронную аппаратуру, в состав которой входят полупроводниковые диоды, так и у радиоспециалистов, занимающихся ремонтом готовой радиоаппаратуры.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение ................................................................................... 4 2. Анализ технического задания ................................................. 5 3. Расчетная часть ......................................................................... 11 4. Заключение................................................................................ 14 5. Список литературы................................................................... 15

15

16

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ Для выполнения курсовой работы требуются исходные данные, определяющие основные параметры измерительной установки, которая будет разработана. Основными параметрами для характериографа, измеряющие вольтамперные статические характеристики (ВАХ) полупроводникового выпря тельного диода, являются: – наибольший прямой ток диода Iпpmax; – наибольшая обратная напряжения диода Uo6рмах; – допускаемая относительная погрешность измерения прибора. Т.к. все основные параметры, необходимые для разработки измерительной установки (ИУ), даны в техническом задании, то можно сделать вывод о достаточности исходных данных для выполнения курсовой работы. Кроме основных технических данных, приведенных выше, при расчете курсовой работы могут понадобиться технические данные осциллографа С1-65, на базе которого будет разработан характериограф. Выпишем технические данные осциллографа из его паспорта: – нормальный диапазон амплитудно-частотной характеристики (АХЧ) тракта вертикального отклонения находится в пределах от 0 до 10 МГц при коэффициенте отклонения равном 0.005 в/дел; – входное сопротивление канала вертикального отклонения (КВО) 1 МОм; – максимальное допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжения исследуемого сигнала на закрытом входе усилителя вертикального отклонения (УВО) 300 В; – предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения не превышает 5% в нормальных условиях применения и 6% в рабочих условиях применения; – полоса пропускания канала горизонтального откло-нения (КГО) от 20 Гц до 3 МГц; – входное сопротивление КГО 1 МОм; – максимальное допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжения исследуемого сигнала на закрытом входе УГО 300 В; – предел допускаемой относительной погрешности измерения временных интервалов во всем диапазоне развертки не пре17

вышает 5% в нормальных условиях применения и 6% в рабочих условиях применения; – время установления рабочего режима равно 15 мин. Выпрямительные диоды (ВД) предназначены для выпрямления переменных напряжений. Они работают при низкочастотных напряжениях (50–2000Гц). Свойства диодов на низких частотах достаточно полно определяет их ВАХ, снятая на постоянном токе. Она представляет собой зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения I = f(U). Рассмотрим основные методы измерения ВАХ полупроводниковых выпрямительных диодов. Существует два наиболее популярных метода измерения ВАХ диодов. 1. МЕТОД АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА В основе метода амперметра и вольтметра, применяемого иногда на практике, лежит процесс снятия ВАХ по точкам. Принципиальная схема, для этого метода изображена на рис. 1.

Измерение прямого падения напряжения на диоде должно осуществляться высокоомным (106–109 Ом) цифровым вольтметром постоянного тока высокого класса точности, а измерение значений тока – магнитоэлектрическим или цифровым амперметром. Падение напряжения на контактной системе и в проводах, с помощью которых испытуемый диод подсоединяется к измерительной установке, не должно превышать 1–2% от максимально возможного значения прямого падения напряжения на диоде. Измерение обратного напряжения контролируется цифровым или магнитоэлектрическим вольтметром постоянного тока, а значения обратного тока диода измеряются цифровым микроамперметром постоянного тока высокого класса точности. Обрат18

ный ток при отсутствии микроамперметра высокого класса точности можно измерять косвенным путем, включив в цепь диода известное сопротивление R, на котором цифровым вольтметром постоянного тока измеряется падение напряжения U. При этом должны соблюдаться условия: R << Rобр, R << Rv. По результатам измерений вычисляют обратный ток диода, который равен: Io6р = U/R Данный метод обладает рядом недостатков: – низкое быстродействие, т.е. снятие каждой характеристики требует значительных затрат времени; – лишен наглядности. Преимущества метода: – обеспечивает сравнительно малую погрешность (5–10%); – надежность, которая обеспечивается минимальным количеством радиодеталей, применяемых при построении данного устройства; – дешевизна. 2. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД При пользовании временной разверткой на экране осциллографа наблюдаются кривые зависимостей исследуемых процессов от времени. Аналогично можно воспроизвести на экране осциллографа и графики функциональных зависимостей двух любых величин, если их преобразовать в пропорциональные им напряжения и подать эти напряжения на соответствующие входы осциллографа. Одно напряжение, связанное с управляющей независимой величиной (аргументом), подается на вход горизонтального отклонения луча осциллографа, а другое напряжение, связанное с зависимой величиной (функцией), подают на вход вертикального отклонения луча с осциллографа. В результате на экране осциллографа получим функциональную зависимость двух величин. Как было упомянуто выше, ВАХ диода представляет собой кривую зависимость I (U), т.е. тока 1, протекающего через диод, от напряжения, воздействующего на него, при постоянстве всех прочих величин, влияющих на режим работы этого элемента. Для осциллографирования ВАХ диода будем использовать измерительную установку, состоящую из осциллографа С1-65, заданного в техническом задании, и электрической приставки, принципиальная схема которой изображена на рис. 2. 19

Данную ИУ можно использовать для исследования ВАХ не только ВД, но и диодов любых типов. Рассмотрим принцип работы схемы электрической приставки к ИУ, изображенной на рис. 2. В этой схеме, питаемой от источника управляющего напряжения Uc, переменное напряжение Uд, падающее на исследуемом диоде VD1, подается одновременно на вход канала горизонтального отклонения осциллографа С1-65 (вход X), создавая развертку электронного луча по горизонтали. Каждому мгновенному значению напряжения Uд соответствует опрел ленный ток Iдв цепи диода VD1, который, протекая через сопротивление R1, вызывает пропорциональное последнему падение напряжения U1 = IдR1. Напряжение U1 с резистора R1 подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа С1-65. В результате одновременного воздействия на пары отклоняющих пластин трубки осциллографа напряжений, равных или пропорциональных Uд и U1, на экране осциллографа возникает (в определенном масштабе) кривая зависимости Iд (Uд), т.е. график ВАХ диода. Одной полуволне переменного напряжения Uc соответствует прямой ток через диод Iпр (в нашем случае Iпpmax = 100mA), при котором напряжение на диоде не должно превышать одного или нескольких вольт. В этом случае ток Iпp и напряжение Uпp ограничиваются резистором Р2, сопротивление которого подбирается в зависимости от типа исследуемого диода VD1 и амплитуды на20

пряжения Uc. Сопротивление R2 будет рассчитано в расчетной части курсовой работы. При обратной полуволне переменного напряжения Uc сопротивление диода VD1 резко возрастает и его исследование нужно проводить при большей амплитуде напряжения Uoбр (в пределах допустимых значений). В нашем случае, исходя их технического значения, Uoбрmax = 220В. Это обеспечивается закорачиванием резистора R2 малым прямым сопротивлением вспомогательного диода VD2. Преимущества осциллографического метода измерения ВАХ: – наглядность, так как исследуемая характеристика непрерывно воспроизводится на экране осциллографа; – высокое быстродействие; – простота реализации; – надежность ИУ, которая обеспечивается минимальным количеством радиодеталей, применяемых при построении данного устройства. Недостатки: – - высокая погрешность определения параметров, достигающая 15–20%, хотя во многих случаях она приемлема.

ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ХАРАКТЕРИОГРАФА Напряжения Uд и U1 в течение части периода развертки очень малы, поэтому приходится использовать усилители каналов вертикального и горизонтального отклонения луча осициллографа, соответственно X и Y. В связи с этим возникает проблема, которая заключается в том, что два входных зажима осциллографа оказываются соединенными с заземляемым орпусом, с которым часто связан и один из полюсов управляющего напряжения Uc. В этом случае приходится производить соединения по схеме, изображенной на рисунке 3.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЬЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЯ При осциллографическом методе измерения имеется дополнительная возможность фотографировать ВАХ диода с экрана осциллографа. Для этого необходимо ориентировать ее относительно осей координат Y-Iд и Х-Uд, поэтому экспонирование одного и того же негатива следует производить трижды: при исходном (нормально-замкнутом) состоянии переключателей К1 и К2 и при поочередном включении этих переключателей, т. е. при отключении одной из разверток, что вызовет отклонения луча на экране сначала – вдоль горизонтальной оси, а затем вертикальной оси, которые и воспроизведутся на негативе. Существует также возможность одновременного визуального наблюдения ВАХ и осей координат. Для этого схему ИУ необходимо дополнить электронным коммутатором, который должен производить последовательные переключения, аналогичные рассмотренным выше, но с частотой значительно выше частоты управляющего напряжения Uс. Можно также осуществить калибровку осей координат в требуемых единицах. 21

В этой схеме сопротивление резистора R1 должно быть значительно меньше прямого сопротивления исследуемого диода D1; только при этом условии напряжение на входе канала горизонтального отклонения Х можно считать равным напряжению Uд на диоде. Другая проблема, возникающая при построении характериографа, связана с формой управляющего напряжения Uc. Если управляющее напряжение имеет синусоидальную форму (например, при использовании сетевого напряжения частотой 50 Гц), скорость изменения которой периодически измеряется, то при развертке луча по горизонтали скорость его перемещения будет также периодически меняться, что приведет к неравномерной яркости свечения отдельных участков воспроизводимой ВАХ. При этом концы ВАХ окажутся более яркими, т. к. им соответствует вершина синусоидальной функции, 22

в которой ее скорость измерения гораздо меньше, чем в интервалах возрастания или убывания, средний участок ВАХ будет светиться слабо. Одинаковая яркость свечения всей ВАХ обеспечивается в том случае, если управляющее напряжения Uc имеет треугольную или пилообразную форму, т.к. скорость изменения такой функции постоянна, следовательно и скорость перемещения луча будет тоже постоянной. В связи с этим в качестве управляющего источника целесообразно использовать напряжение, создаваемое генератором пилообразных или треугольных импульсов (например, можно использовать генератор пилообразных импульсов развертки осциллографа). РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ Приведем расчеты радиоэлементов, используемых при построении ИУ и их обоснование, а также расчеты основных метрологических параметров ИУ. При этом будем использовать необходимые технические данные ИУ, взятые из технического задания. Как было сказано выше, ИУ состоит из двух частей: – осциллограф универсальный С1-65: – электрическая приставка, позволяющая с помощью осциллографа измерять ВАХ диодов. Т.к. нам задан типовой осциллограф, остается только рассчитать радиоэлементы, применяемые для построения электрической приставки, а также элементы, согласующие ее с осциллографом. Электрическая приставка состоит из следующих радиоэлементов: – Uc – RI – Пр1 – R2 – VD1 – К1 – VD2 – К2 1) Источник управляющего напряжения предназначен для питания электрической приставки. Он используется как для измерения прямой, так и обратной ветви ВАХ. Т.к. мы используем для простоты не регулирующийся источник, то величину напряжения управляющего источника следует выбирать исходя из наибольшего напряжения, применяемого при измерении ВАХ, т.е. нужно ориентироваться на максимальное обратное напряжение диода, которое задано в технических данных и равно, в нашем случае, 200 В. Uc = 200 В. 23

2) Сопротивление R2 следует выбирать из следующих соображений: оно должно ограничивать прямой ток, протекающий через диод, при измерении прямой ветви ВАХ диода. Максимальный прямой ток выпрямительного диода задан в техническом задании Iпpmax = 100 мА. Зная Iпpmax и Uc, пренебрегая малыми падениями напряжений на диоде (около 1 В), включенном в прямом направлении, и на сопротивлении R1, которое мало по сравнены R2, можем примерно рассчитать значение сопротивления R2: R2 = Uc/ Iпpmax = 200/0,1 = 2000 Oм. 3) Диод VD2 служит для закорачивания сопротивления R2 во время измерения обратной ветви ВАХ диода; При этом, практически, все напряжение Uc прикладывается к диоду VD1. В качестве его можно использовать любой типовой выпрямительный диод со следующими параметрами: о6ратное напряжение, определяемое напряжением Uc, не менее 200 В; и прямой ток, определяемый обратным током диода VD1, не менее 1mA. 4) Сопротивление R1 при использовании схемы, изображенной на рис. 3, как было сказано выше, должно быть малым по сравнением с сопротивлением диода, включенным в прямом направлении (Rl << Рд). При нарушении этого условия напряжение, подаваемое на канал вертикального отклонения осциллографа, нельзя считать равным напряжению на диоде Uд, т.е. возникают большие искажения ВАХ. С другой стороны должно обеспечиваться падение напряжения U1 на сопротивлении R1, значения которого не меньше минимального значения исследуемого сигнала, при котором обеспечивается класс точности осциллографа; оно равно 15 mB. Исходя из этих соображений, значение сопротивления R1 должно быть, примерно, равно 1 Ом. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 1) Диапазон измерения. В нашем случае диапазон измерения определяется пределами исследования ВАХ выпрямительного диода и равен от Uобрмах до Uпрмах; Uобрмах = 200 В – задано в технических данных; Uпр = 1 В 2) Чувствительность. Чувствительность данной ИУ определяется чувствительностью осциллографа С1-65 и равна 15 mB. 24

3) Быстродействие. Быстродействие ИУ характеризуется временем, которое необходимо для получения ВАХ диода. После времени установления рабочего режима ИУ, ее быстродействие определяется временем, которое уходит на установления нового экземпляра исследуемого диода и составляет 1–2 сек. Если ИУ не было приведена в рабочей режим, то требуется, примерно, 15 мин. для того, чтобы установился рабочий режим осциллографа. 4) Погрешность измерения. Общая погрешность измерения ИУ зависит от погрешностей осциллографа и электрической приставки. Она определяется по формуле;

δ общ = δ

2 сцил

+δ

2 эл.пер .

δосцил = 0,06 = 6% δэл.пер = 0,05 = 5%

δ общ = 61 < 8% , т.е. удовлетворяет заданным в технических данных параметрам ИУ.

25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проделанной курсовой работы была рассчитано, измерительная установка (характериограф) для исследования ВАХ полупроводникового выпрямительного диода с заданными параметрами. Следует отметить, что после простой модификации данная ИУ может приме-няться для исследования ВАХ диода любого типа. Ее возможности можно расширить согласно выше описанным методам. Данная курсовая работа очень полезна в процессе изуччения дисциплины "Основы метрологии и радиоизмерения". Ее выполнение способствует приобрете-нию дополнительных навыков расчета электрических цепей и определения метрологических характеристик.

26

ЛИТЕРАТУРА 1. Винокуров В.И. Электрорадиоизмерения. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1986. – 351 с. 2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1989. – 384 с. 3. Фремке А.В. Электрические измерения. – Л.: Энергия, 1980. – 392 с. 4. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения. Учебник для вузов по специальности «Радиотехника». – Мн.: Высшая шко-

Исакова Валентина Владимировна

ла, 1986. 5. Кобзев В.В., Агеев В.И., Баленко Ю.К. Контрольноизмерительные приборы. Справочник. – М.: Воениздат, 1989.

РАДИОИЗМЕРЕНИЯ Методические указания к выполнению курсовой работы для курсантов специальности 201300 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

в авторской редакции оригинал-макет Максименко Т.Г.

– 471 с.

Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 10.09.01 г. Формат 61*86/16. Печать офсетная. Гарнитура Times New Roman. Авт. л. 0,92. Уч.-изд. л. 1,1. Усл. печ. л. 1,94. Тираж 105 экз. Заказ № 374. Редакционно-издательский отдел Камчатского государственного технического университета Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ 683003 г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35.

27

28

29