Измерение ослабления в системах

И. Н. Запасный

В. И. Сметанин

 

Измерение ослабления в системах

Телекоммуникации

Методические указания к лабораторной работе № 3

 

по курсам

 

 

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ В телекоммуникациОННЫХ СИСТЕМАХ

МЕТРОЛОГИЯ И РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

 

Новосибирск

УДК 621.317.6

 

И. Н. Запасный, В. И. Сметанин. Измерение ослабления в системах телекоммуникации. Методические указания к лабораторной работе №3 по курсам: «Метрология, стандартизация и сертификация»,«Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах»,«Метрология и радиоизмерения», «Метрология, стандартизация и технические измерения».

/ СибГУТИ. – Новосибирск, 2012г. – 31с.

 

Рассматриваются различные методы измерения рабочего, вносимого и собственного ослаблений в системах телекоммуникации. Приведены рекомендации по подготовке к выполнения работы, вопросы и задачи для самоконтроля, основные теоретические сведения, задание на работу в лаборатории и методические указания по его выполнению, требования к оформлению результатов эксперимента и отчета. Предназначены для студентов очной и заочной форм обучения, обучающихся по направлениям «Телекоммуникации», в рамках которых изучаются дисциплины метрологического профиля. Выполнение работы способствует закреплению приобретенных теоретических знаний, развитию навыков работы со средствами измерений, получению умений по обработке и оформлению результатов экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов очной и заочной форм обучения укрупненных групп специальностей (УГС) 210000, 230000, 090000.

 

Кафедра передачи дискретных сообщений и метрологии

 

8 рисунков, 6 таблиц, список литературы – 8 наим.

 

 

Рецензент: дтн, проф. Горлов Н.И.

 

Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ «СибГУТИ»

в качестве методических указаний.

 

© ФГОБУ ВПО Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2012 г.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Цель работы
2. Программа лабораторной работы
3. Перечень лабораторного оборудования
4. Подготовка к выполнению лабораторной работы
4.1 Изучение теории
4.2 Требования к заготовке отчета
4.3 Контрольные вопросы
4.4 Задачи для контроля самостоятельной работы
5. Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы
5.1 Определение рабочего ослабления и сущность метода известного генератора
5.2 Методика измерения рабочего ослабления методом известного генератора
5.3 Измерение рабочего ослабления методом
5.4 Методика измерения рабочего ослабления методом
5.5 Определение собственного ослабления четырехполюсника
5.6 Методика измерения собственного ослабления четырехполюсника
5.7 Определение вносимого ослабления четырехполюсника
5.8 Методика измерения вносимого ослабления четырехполюсника
6. Оформление отчета
7. Приложения
7.1 Правила выполнения лабораторной работы
7.2 Оформление результатов измерения
7.3 Уровни передачи и их измерения
7.4 Оценка погрешности рабочего ослабления при измерении напряжения и уровней милливольтметром
8. Литература

 

Цель работы

1.1 Изучить:

- методы измерения рабочего, вносимого и собственного ослаблений

четырехполюсников и трактов связи;

- средства для измерения различных видов ослаблений;

- источники погрешности при измерении ослабления.

1.2 Получить навыки работы с измерительными приборами для измерения ослабления.

1.3 Освоить методики оценки погрешностей (неопределенностей) прямых и косвенных измерений.

1.4 Приобрести умение обрабатывать и оформлять результаты измерений ослабления в соответствии с нормативными документами.

 

Программа лабораторной работы

2.1 Измерить рабочее ослабление четырехполюсника измерителем

уровня (ИУ) (условия измерения и объект задает преподаватель).

2.1.1 Метод известного генератора.

2.1.2 Метод .

2.2 Измерить собственное ослабление четырехполюсника.

2.3 Измерить вносимое ослабление четырехполюсника.

 

Подготовка к выполнению лабораторной работы

(домашнее задание)

4.1 Изучение теории.

4.1.1 Изучить теоретический материал по литературе [1] (стр. 298-306), [5] (стр. 250-261), конспекту лекций и настоящим методическим указаниям (раздел 5.1, 5.3, 5.5, 5.7, 7.2-7.4).

4.1.2 Изучить описание данной работы, разобраться, что делать и как делать в процессе выполнения лабораторной работы и подготовить заготовку отчета.

4.2 Требования к заготовке отчета.

Заготовка отчета (её предъявляют преподавателю перед выполнением лабораторной работы) должна содержать:

4.2. 1 Титульный лист.

4.2. 2 Наименование лабораторной работы.

4.2.3 Формулировку цели работы.

4.2.4 Программу работы.

4.2.5 Решение задач (п.4.4).

4.2.6 Основные метрологические характеристики применяемых приборов по форме табл. 4.2.1.

4.2.7 Схемы измерений по каждому пункту программы работы, выполненные с требованиями ГОСТов группы Т52.

4.2.8 Таблицы для записи результатов наблюдений и измерений.

4.2.9 Расчетные формулы и формулы оценки погрешностей.

4.2.10 Предусмотреть место для выводов по лабораторной работе.

 

Таблица 4.2.1 Основные метрологические характеристики приборов

Наименование метрологической характеристики	Генератор	Вольтметр (измеритель уровня)	Магазин сопротивлений
тип прибора и его заводской номер
Тип преобразователя вольтметра	---		---
вид градуировки вольтметра	---		---
вид входа вольтметра	---		---
пределы измерения (уровня, сопротивления)	---
рабочий диапазон частот
пределы допускаемой основной погрешности
пределы допускаемой дополнительной погрешности
входное сопротивление	---		---
Входная емкость	---
нормальные условия эксплуатации

 

 

4.3 Контрольные вопросы.

Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулируйте ответы на следующие вопросы (устно):

4.3.1 Дайте определение рабочего, вносимого и собственного ослабления.

4.3.2 В каком случае рабочее ослабление четырехполюсника равно собственному?

4.3.3 Как отличаются схемы измерения рабочего ослабления методом известного генератора и методом ?

4.3.4 Покажите на схемах измерения рабочего ослабления методом известного генератора и методом элементы, выполняющие роль сопротивления нагрузки со стороны входных зажимов четырехполюсника.

4.3.5 Дайте определение абсолютного, относительного и измерительного уровней.

4.3.6 Как рассчитать абсолютные уровни сигнала в неперах или децибелах, если известны его параметры в вольтах, амперах или ваттах?

4.3.7 Изобразите схему измерения собственного ослабления (усиления) четырехполюсника методом измерения уровней на входе и выходе четырехполюсника. Укажите требования, предъявляемые к входным параметрам измерителя уровня.

4.3.8 Какие методы измерения вносимого ослабления Вы знаете?

4.3.9 Какие требования предъявляются к входному сопротивлению измерителя уровня в известных Вам методах измерения рабочего, собственного, вносимого ослаблений и усилений?

4.3.10 Как оценить инструментальную абсолютную погрешность измерителя уровня с существенно неравномерной шкалой (запишите аналитическое выражение и поясните обозначения)?

4.3.11 Как оценивают погрешность косвенного измерения различных видов ослабления (выведите аналитические выражения и поясните обозначения)?

 

4.4 Задачи для контроля самостоятельной работы.

Решить три измерительные задачи, исходные данные которых приведены ниже в таблицах 4.1¸4.2.

 

Таблица 4.1 Исходные данные к решению задач 1, 2, 3

Вид параметра	Предпоследняя цифра номера студенческого билета
Е, В	9.63	2.16	6.36	8.06	4.45	3.95	5.38	8.76	11.8	9.7
, Ом
, Ом

 

Таблица. 4.2 Исходные данные к решению задач 1, 2, 3

Вид параметра	Последняя цифра номера студенческого билета
, дБ	-21	-12	-2	-6	-18	-16	-18	-14	-16	-28
, Ом
, Ом
, дБ	0,2	0,4	0,25	0,3	0,35	0,5	0,15	0,45	0,6	0,1

 

Пояснения к таблицам 4.1 и 4.2.

– Э Д С генератора (рис. 5.2);

– внутреннее сопротивление измерительного генератора (рис. 5.2), подключенного к входу четырехполюсника;

, – характеристические сопротивления исследуемого четырехполюсника со стороны входных и выходных зажимов соответственно;

– сопротивление нагрузки четырехполюсника, подключенной к выходу четырехполюсника;

– уровень напряжения на нагрузке, измеренный указателем уровня с высокоомным входным сопротивлением (рис. 5.2);

– предел допускаемой абсолютной погрешности измерения уровня.

Вариант задания в таблицах определяется двумя последними цифрами номера зачетной книжки.

Правильное решение задач и наличие всех необходимых заготовок к отчету является необходимым условием допуска к выполнению лабораторной работы.

 

ЗАДАЧА 1.

Определить, используя данные таблиц 4.1 и 4.2:

а) абсолютный уровень Э Д С генератора ();

б) абсолютный уровень половины Э Д С генератора ();

в) мощность , выделяемую на нагрузке, подключенной согласованно к выходу генератора (рис. 5.1) и её абсолютный уровень ().

Примечание: при определении абсолютных уровней напряжения, градуировочное сопротивление принять равным 600 Ом.

 

ЗАДАЧА 2.

Определите рабочее ослабление четырехполюсника (см. схему на рис. 5.2), используя данные таблиц 4.1 и 4.2. Укажите, как нужно изменить числовые значения сопротивлений в схеме (рис. 5.2), чтобы рабочее ослабление четырёхполюсника получилось равным собственному ослаблению.

 

ЗАДАЧА 3.

1). Определите мощность и напряжение , которые будет выделять заданный генератор на нагрузке четырехполюсника, если ее подключить непосредственно к выходным зажимам генератора (см. рис. 5.5).

2) Определите показания измерителя уровня с высокоомным входным сопротивлением , проградуированного для сопротивления 600 Ом, если он подключен параллельно нагрузке (рис. 5.5).

3) Используя полученные результаты и данные таблиц 4.1 и 4.2, вычислите вносимое ослабление ().

4) Оцените абсолютную погрешность измерений вносимого ослабления , если предел допускаемой абсолютной погрешности измерения абсолютных уровней напряжения сигналов равен .

5) Привести решение задач в заготовке отчета, а результаты решения задач свести в таблицу 4.3. Используя вычисленные значения и , оформите в таблице 4.3 результат измерения в соответствии с МИ 1317-2004.

 

Таблица 4.3 Сводная таблица результатов решения задач 1-3

Вари- aнт	, дБ	, дБ	мВт	, дБ	, дБ	Условия, при которых	, мВт	, В	, дБ	результат измерения , дБ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

 

5.1. Определение рабочего ослабления и сущность метода известного генератора.

Рабочее ослабление четырехполюсника определяют соотношением:

, дБ (5.1)

 

где: - полная мощность, которую мог бы отдать генератор в нагрузку при условии, что сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению генератора (т.е. согласованную с ним нагрузку) (см. схему на рис. 5.1).

 

 

Рис. 5.1 Схема определения мощности (согласованного подключения нагрузки к генератору)

 

- полная мощность, поступающая от генератора в нагрузку, включенную на выходе четырехполюсника (рис. 5.2).

Таким образом, в рабочем ослаблении фактическая мощность (), поступающая в нагрузку на выходе четырехполюсника, сравнивается в логарифмическом масштабе с мощностью , отдаваемой генератором в оптимальном режиме (в согласованную с генератором нагрузку).

Мощности и могут быть выражены через Э Д С генератора , внутреннее сопротивление генератора и напряжение на нагрузке , включенной на выходе четырехполюсника (рис. 5.2):

 

; ;

 

(5.2)

 

 

где: - абсолютный уровень Э Д С генератора;

- абсолютный уровень напряжения на нагрузке четырехполюсника; - абсолютный уровень половины Э Д С генератора, равный абсолютному уровню напряжения на нагрузке согласованно нагруженного генератора;

- напряжение, соответствующее нулевому уровню мощности при данном градуировочном сопротивлении;

-6 дБ – соответствует выражению ≈ -6дБ.

 

 

Рис. 5.2 Схема измерения абсолютного уровня напряжения при измерении рабочего ослабления методом известного генератора

где: 1-1 - входные зажимы четырехполюсника;

2-2 - выходные зажимы четырехполюсника

 

Из этих выражений (5.2) следует, что процесс измерения рабочего ослабления при известных значениях и сводится к измерению значения Э Д С генератора (см. рис. 5.3) или половины Э Д С Е/2 (см. рис. 5.3) и напряжения на нагрузке, включенной на выходе четырехполюсника (см. рис. 5.2).

Этот способ измерения принято называть методом известного генератора.

Метод известного генератора носит такое название потому, что у генератора должно быть известно еговнутреннее сопротивление, которое является сопротивлением нагрузки четырехполюсника со стороны входных зажимов 1-1 (в начале четырехполюсника). Если, например, сопротивление меньше, чем заданное сопротивление нагрузки , на которое необходимо нагрузить четырехполюсник со стороны входных зажимов, то к сопротивлению можно добавить недостающее значение сопротивления, включив последовательно с генератором добавочное сопротивление .

Измерение значения напряжения на нагрузке (рис. 5.2) проводят электронным вольтметром (ЭВ) с высокоомным входным сопротивлением (Z_v >> Z_н). Если ЭВ проградуировать в логарифмических единицах измерения – децибелах, то ЭВ называют измерителем уровня (ИУ).

Уровень Э Д С генератора с достаточной степенью точности можно определить, измерив уровень на выходе генератора на холостом ходе с помощью ИУ с высокоомным входным сопротивлением ().

5.2 Методика измерения рабочего ослабления методом известного генератора (пункт 2.1.1 программы) рекомендуем выполнять в следующем порядке.

5.2.1 Установить выходное сопротивление генератора равным заданному преподавателем значению сопротивления нагрузки четырехполюсника со стороны входных зажимов. Если сопротивление меньше, чем заданное сопротивление нагрузки, на которое необходимо нагрузить четырехполюсник со стороны входных зажимов , то между выходом генератора и входом четырёхполюсника последовательно нужно включить дополнительный резистор , сопротивление которого равно разности между заданным значением сопротивления нагрузки со стороны входных зажимов и внутренним сопротивлением генератора ().

5.2.2 Установить регулятором выходного напряжения генератора необходимый абсолютный уровень Э Д С генератора () с помощью измерителя уровня (вольтметра) (см. рис. 5.3). Значение уровня (напряжения) не должно быть слишком большим (около +10 дБ), чтобы не перегрузить исследуемый объект (не более +20 дБ), и слишком малым, так как в этом случае напряжение на выходе объекта может оказаться соизмеримым с напряжением помех. Занесите необходимые данные в табл. 5.1.

 

Рис. 5.3 Схема измерения абсолютного уровня ЭДС генератора р_Е

 

5.2.3 Собрать схему измерения абсолютного уровня напря­жения () на нагрузке четырехполюсника (рис. 5.2). Установить значение сопротивления нагрузки четырехполюсника () равным заданному преподавателем значению сопротивления нагрузки четырехполюсника со стороны выходных зажимов. Выбрать предел измерения измерителя уровня, обеспечивающий минимальную погрешность измерения, и записать его показания и другие необходимые данные в таблицу 5.1.

5.2.4 Обработать результаты наблюдений: рассчитать рабочее ослабление; оценить погрешность прямых измерений (, , , - пределы допускаемых абсолютных погрешностей используемых средств измерений) по метрологическим характеристикам приборов (оценку погрешности измеряемого уровня удобно выполнить с использованием таблицы 5.1); и занести результаты в таблицу 5.2, оценить погрешность измерения рабочего ослабления. Так как измерение рабочего ослабления является косвенным, то для оценки его погрешности нужно применить соответствующую методику (см. раздел 7.4 этих МУ).

Таблица 5.1

Результаты оценки погрешности измеряемого уровня в точке отсчета

показания (ТОП)

положение ступенчатого переключателя, дБ	Измеряемый параметр	Отсчет по шкале, дБ	Значение измеряемого уровня, дБ	Нормирующее значение Анорм, мм	Длина одного деления шкалы в точке отсчета показания, (ТОП), мм	Цена одного деления в ТОП, дБ	Чувствительность S в ТОП мм/дБ	Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения уровня, дБ	Примечание

Таблица 5.2

Результаты измерения рабочего ослабления методом известного генератора

кГц	, дБ	, дБ	, дБ	, дБ	, Ом	, Ом	, Ом	, Ом	, дБ	, дБ
Запись результата измерения рабочего ослабления согласно нормативным     докумен
документам: =

 

5.3 Измерение рабочего ослабления методом .

Если выходное сопротивление измерительного генератора, имеющегося в распоряжении экспериментатора, не равно требуемому значению нагрузки со стороны входных зажимов исследуемого объекта или известно с недостаточной точностью, метод известного генератора применять затруднительно. В этом случае используют метод . Методом можно осуществлять измерения при помощи генератора с любым, в том числе и неизвестным, внутренним сопротивлением (рис. 5.4).

В этом методе роль нагрузки со стороны входных зажимов четырехполюсника выполняет сопротивление , а напряжение выполняет роль Э Д С эквивалентного источника сигнала.

 

 

Рис. 5.4 Схема измерения рабочего ослабления методом

 

Если в формулах 5.2 заменить Э Д С на напряжение _, а - на , то получим выражение для расчета рабочего ослабления методом :

 

дБ (5.3)

При измерениях абсолютных уровней напряжений и указатель уровня должен иметь высокое входное сопротивление (Z_v >> ; Z_v >> Z_Н).

 

5.4 Методика измерения рабочего ослабления методом (пункт 2.1.2 программы) рекомендуем выполнять в следующем порядке.

5.4.1 Собрать схему измерения рабочего ослабления методом (рис. 5.4) при тех же условиях нагрузки четырехполюсника, что и в разделе 5.2.

5.4.2 Установить значение сопротивления с помощью магазина сопротивлений равным заданному значению сопротивления нагрузки четырехполюсника со стороны входных зажимов .

5.4.3 Установить с помощью измерителя уровня необходимое значение уровня (обратить внимание на правильность подключение измерителя уровня и верность выбора его входного сопротивления и предела измерений). Записать результаты измерения в таблицу, аналогичную таблице 5.1 (вместо нужно вписать ).

5.4.4 Переключить измеритель уровня на выход четырехполюсника и измерить уровень и занесите его в таблицу (см. п. 5.4.3).

5.4.5 Обработать результаты наблюдений (рассчитать рабочее ослабление и оценить погрешность результата измерений), результаты наблюдений и расчетов занести в таблицу, аналогичную таблице 5.2 (вместо надо вписать , вместо вписать ).

5.4.6 Сравнить результат измерения рабочего ослабления методом Z с результатами измерения методом известного генератора. При правильных измерениях расхождение между ними не должно превышать суммы их погрешностей.

 

5.5 Определение собственного ослабления четырехполюсника.

Собственное (характеристическое) ослабление это вещественная часть собственной постоянной передачи четырехполюсника, оно является параметром четырехполюсника и полностью определяется его свойствами.

Собственное ослабление (собственное усиление ) четырехполюсника можно определить и путем сравнения мощностей:

 

(5.4)

, (5.5)

где и - полные мощности на входе и выходе четырехполюсника, нагруженного на характеристические сопротивления (согласованно).

Эти соотношения можно преобразовать, учитывая, что

 

и (5.6)

. (5.7)

. (5.8)

, (5.9)

где и - характеристические сопротивления четырехполюс­ника;

и - среднеквадратические значения напряжения на входных и выходных зажимах согласованно нагруженного четырехполюсника;

и - абсолютные уровни этих напряжений.

Измерив, эти напряжения вольтметром или их уровни измерителем уровня с высокоомным входным сопротивлением, легко рассчитать собственное ослабление . Этот метод принято называть методом измерения уровней.

Можно использовать схему рис. 5.2, в которой положить = , , измерить на входных зажимах 1-1 четырехполюсника и на выходных зажимах 2-2 четырехполюсника, можно рассчитать собственное ослабление четырехполюсника .

Так как при согласованном включении четырёхполюсника (, ) рабочее ослабление равно собственному , то в этом случае все методы измерения рабочего ослабления могут быть использованы для измерения собственного ослабления. Кроме того, могут быть использованы и другие методы: метод холостого хода и короткого замыкания, метод сравнения с магазином ослабления, компенсационный метод.

5.6 Методика измерения собственного ослабления четырехполюсника (п.2.3 программы) в лаборатории может быть реализовано несколькими методами:

- теми же методами, что и рабочее ослабление;

- методом измерения уровней.

Рекомендуем измерить собственное ослабление специфическим методом (метод измерения уровней) и одним из методов измерения рабочего ослабления.

5.6.1 Выбрать один из методов измерения рабочего ослабления, учитывая, что четырехполюсник должен быть нагружен согласовано (, ). Выполнить измерения согласно разделу 5.2 или 5.3 в соответствии с Вашим выбором, обеспечив согласованное включение четырехполюсника.

5.6.2 Для измерения собственного ослабления () методом измерения уровней необходимо; собрать схему (рис.5.2), установить сопротивление нагрузки равным характеристическому сопротивлению четырехполюсника со стороны выходных зажимов (), измерить уровень на выходных зажимах четырехполюсника (), переключить измеритель уровня к входным зажимам четырехполюсника 1-1 и измерить уровень на входе (). Результаты наблюдений (, ) занести в таблицы (разработать самостоятельно по аналогии с табл. 5.1 и 5.2). Обработать результаты наблюдений (вычислить и оценить погрешность измерения, учитывая, что измерение косвенное).

5.7 Определение вносимого ослабления четырехполюсника.

Вносимое ослабление является мерой передачи энергии через четырехполюсник, в котором сравнивают в логарифмическом масштабе фактическую мощность, поступающую от источника сигнала (генератора) в нагрузку через четырехполюсник, с мощностью, которую мог бы отдать этот генератор в эту же нагрузку, если ее подключить к генератору непосредственно (исключив четырехполюсник).

Вносимое ослабление четырехполюсника определяют по формуле:

 

, (5.10)

 

где: - полная мощность, поступающая в нагрузку четырехполюсника при подключении ее непосредственно к выходным зажимам генератора с внутренним сопротивлением (см. рис. 5.5);

- полная мощность, поступающая в нагрузку через исследуемый четырехполюсник (см. рис. 5.2).

 

Рис. 5.5 Определение мощности напряжения и абсолютного уровня напряжения , при измерении вносимого ослабления

 

Выразив мощности через напряжение и нагрузочное сопротивление, получим следующее выражение для определения :

; ; ;

 

После подстановки в (5.10) получим:

. (5.11)