Общие сведения об измерении неэлектрических величин

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к самостоятельной работе

по дисциплине «Информационно-измерительная техника и электроника»

для студентов заочной формы обучения специальностей и направлений:

140205 Электроэнергетические системы и сети,

140211 Электроснабжение,

140200 Электроэнергетика

 

Ставрополь

Методические указания разработаны в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и программой дисциплины «Информационно-измерительная техника и электроника», и предназначены для студентов специальностей 140205 Электроэнергетические системы и сети, 140211 Электроснабжение, 140200 Электроэнергетика.

В методических указаниях приведен материал необходимый для выполнения контрольной работы, позволяющий индивидуализировать задание.

 

 

Составители: Данилов М.И.

Ястребов С.С.

Романенко И.Г.

Мамаев В.А.

 

 

Рецензент:

 

СОДЕРЖАНИЕ

Самостоятельное занятие 1 (8ч) 5

Общие сведения об измерении неэлектрических величин. 5

Самостоятельное занятие 2 (24ч) 6

Основные характеристики измерительных преобразователей. Схемы включения преобразователей в мостовые схемы. 6

Самостоятельное занятие 3 (13,2ч) 9

Динамические свойства преобразователей. Классификация преобразователей. 9

Самостоятельное занятие 4 (20ч) 11

Параметрические преобразователи. Фотоэлектрические, емкостные, тепловые ионизационные, реостатные тензорезисторные, индуктивные, магнитоупругие преобразователи. 11

Самостоятельное занятие 5 (20ч) 12

Генераторные преобразователи. Пьезоэлектрические, гальванические, обращенные, индукционные, термоэлектрические преобразователи. Пирометры. 12

Самостоятельное занятие 6 (20ч) 13

Усилители переменного и постоянного токов. Обратная связь в усилителях. 13

Самостоятельное занятие 7 (20ч) 15

Дифференциальные каскады усилителей постоянного тока. Преобразователи на базе операционных усилителей. 15

Самостоятельное занятие 8 (20ч) 17

Системы счисления, используемые в цифровой технике. Карты Карно. Транзисторные ключи. 17

Самостоятельное занятие 9 (20ч) 19

Контрольная работа. Расчет параметрического стабилизатора напряжения. Графоаналитический расчет усилительного каскада на транзисторе включенного по схеме с общим эмиттером. 19

1 ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ И ЕГО ОБЪЕМ .. 19

2 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НАПИСАНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ .. 25

3 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ, ПРИМЕРНЫЙ КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ .. 26

4 ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ И ОТВЕТСВЕННОСТЬ СТУДЕНТА ЗА ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ. 32

ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 33

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.. 34

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 52

Самостоятельное занятие 1 (8ч)

 

Общие сведения об измерении неэлектрических величин

Цель занятия: изучить особенности и общие сведения измерения физических величин

 

В результате изучения представленной темы необходимо знать ответы на следующие контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятиям «измерение», «физическая величина», «средство измерений», «погрешность результата измерений».

2.Перечислите основные виды и методы измерений.

3.Какие основные измерительные операции выполняются при измерении?

4.Какие унифицированные сигналы имеют измерительные преобра­зователи?

5.В чем отличие прямых измерений от косвенных?

6.Приведите классификацию погрешностей измерений.

7.Как определить цену деления шкалы прибора?

8.В чем отличие диапазона измерений от диапазона показаний?

9.Что характеризует класс точности прибора и как он обозначается для различных средств измерений?

10.Перечислите классы точности электромеханических измерительных приборов.

 

 

Самостоятельное занятие 2 (24ч)

 

Самостоятельное занятие 3 (13,2ч)

 

Самостоятельное занятие 4 (20ч)

 

Самостоятельное занятие 5 (20ч)

 

Самостоятельное занятие 6 (20ч)

 

Самостоятельное занятие 7 (20ч)

 

Самостоятельное занятие 8 (20ч)

 

Самостоятельное занятие 9 (20ч)

Контрольная работа. Расчет параметрического стабилизатора напряжения. Графоаналитический расчет усилительного каскада на транзисторе включенного по схеме с общим эмиттером

1 ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАНИЯ И ЕГО ОБЪЕМ

 

Контрольная работа состоит из двух заданий. Исходные данные для расчетов по заданиям выдаются преподавателем студенту индивидуально.

Задание 1. Тема: Расчет параметрического стабилизатора напряжения.

Цель: на основе заданных характеристик стабилитрона, параметров входного напряжения на входе стабилизатора, используя аналитические и графоаналитические методы рассчитать режимы работы параметрического стабилизатора напряжения совместно с нагрузкой и сделать заключение о допустимых режимах работы.

Задача 1.1 На рисунке 1.1 задана ВАХ стабилитрона, включенного в схему параметрического стабилизатора (рисунок 1.2).

Координаты точек «m» и «n», значение , напряжение на входе стабилизатора задаются индивидуально каждому студенту и берутся из таблицы 1.1.

При условии, что номинальное напряжение на нагрузке равно , для заданного значения сопротивления нагрузки определить величину балластного сопротивления , обеспечивающего требуемый режим в точке пересечения ВАХ стабилитрона и зеркального изображения ВАХ входного сопротивления линейной части схемы по отношению к зажимам, к которым подключен стабилитрон.

Принять =(0,7…0,8) .

Задача 1.2 Для параметрического стабилизатора с полученным в задаче значением определить границы допустимого изменения , при котором напряжение на нагрузке будет изменяться в пределах от до _.

Задача 1.3 Для параметрического стабилизатора с полученным в задаче значением определить диапазон изменения сопротивления нагрузки , чтобы стабилизатор мог выполнять свои функции.

Задача 1.4 Определить абсолютное ±D и относительное изменение % напряжения на нагрузке при условии изменения питающего напряжения на ±10%, т.е. .

Изменение напряжения на нагрузочном резисторе можно определить по формуле

.

Значения , , принять по данным задачи 1.1, значение дифференциального сопротивления стабилитрона на рабочем участке ВАХ определяется по заданным параметрам в точках «m» и «n» (рисунок 1.1)

 

 

Таблица 1.1 – Варианты заданий к заданию 1

Примечание. Данные приведены как пример. Они могут меняться преподавателем.

Ф. И. О.	I ст.мин, мА	U ст.мин, В	I ст.мак, мА	U ст.мак, В	U 1, В	R н, кОм	Подпись
1.				5,5		2,0
2.				6,5		2,5
				7,5		3,0
				6,5		4,0
5.				6,5		2,5
6.				7,5		3,0
				6,5		3,5
				5,5		3,0
9.				7,5		3,0
10.				6,5		4,0
11.				7,5		2,5
12.				5,5		2,5
13.				5,5		2,0
14.				5,5		2,5
15.				6,5		3,0
16.				7,5		3,0
17.				5,5		3,0
18.				6,5		3,0
19.				6,5		2,5
20.				7,5		3,5
21.				6,5		2,0
22.				5,5		2,5
23.				7,5		3,5
24.						2,0
25.						3,0
26.						3,5
27.						2,5

 

Задание 2. Тема: Графоаналитический расчет усилительного каскада на транзисторе включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Цель: С помощью графоаналитических построений и аналитических расчетов на основе заданных параметров источника входного сигнала, коэффициента усиления каскада по напряжению и сопротивления нагрузки выполнить расчет усилительного каскада на транзисторе и подобрать пассивные элементы усилительного каскада.

Задача 2.1 Варианты задания студент получает индивидуально на основе использования двух последних чисел номера зачетки. Тип биполярного транзистора для каскада взять по последней цифре номера зачетки из таблицы 2.1. Недостающие параметры транзистора, приведены в справочнике [7].

 

Таблица 2.1 – Варианты выбора типа транзистора

№ вар.	Название и тип транзистора	Предельные Эксплуат. данные	Электрические параметры
UКЭmax, В	IКmax,мА	PKmax,мВт	β	Указаны в [7] на странице
	МП111, (n-p-n)				10-25
	МП113А, (n-p-n)				35-105
	МП116, (p-n-p)				15-100
	МП111Б, (n-p-n)				15-45
	КТ201Б, (n-p-n)				30-90
	КТ104В, (p-n-p)				40-160
	КТ201Г, (n-p-n)				70-210
	КТ203В, (p-n-p)				30-200
	КТ503А, (n-p-n)				40-120
	КТ503Г, (n-p-n)				80-240

 

Исходными данными для расчета усилительного каскада являются: – ЭДС входного сигнала; – внутренне сопротивление источника входного сигнала; – коэффициент усиления по напряжению; – сопротивление нагрузки. Выбор которых осуществляется по предпоследней цифре номера зачетки из таблиц 2.2–2.4 согласно типу транзистора.

 

Таблица 2.2 – Варианты исходных данных для транзисторов

МП111, МП111Б, МП113А, МП116

№ вар.	ЭДС входного сигнала	Внутренне сопротивление источника входного сигнала	Коэффициент усиления по напряжению	Сопротивление нагрузки
Em, В	R и, Ом	K ус	R н
	0,5
	0,45		3,5
	0,4
	0,35		4,5
	0,3
	0,5
	0,45		3,5
	0,4
	0,35		4,5
	0,3

 

Таблица 2.3 – Варианты исходных данных для транзисторов

КТ104В, КТ503А, КТ503Г

№ вар.	ЭДС входного сигнала	Внутренне сопротивление источника входного сигнала	Коэффициент усиления по напряжению	Сопротивление нагрузки
Em, В	R и, Ом	K ус	R н
	0,35
	0,3
	0,25
	0,2
	0,15
	0,35
	0,3
	0,25
	0,2
	0,15

 

Таблица 2.4 – Варианты исходных данных для транзисторов

КТ201Б, КТ201Г, КТ203В

№ вар.	ЭДС входного сигнала	Внутренне сопротивление источника входного сигнала	Коэффициент усиления по напряжению	Сопротивление нагрузки
Em, В	R и, Ом	K ус	R н
	0,5
	0,45
	0,4
	0,35
	0,3
	0,5
	0,45
	0,4
	0,35
	0,3

 

Для всех вариантов принять частоту усиливаемого сигнала =1000 Гц, а рабочую температуру Т _раб = 20 – 30° C.

 

2 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НАПИСАНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Контрольная работа выполняется на листах стандартных размеров формата А4 (297×210мм²), заполненных с одной стороны. Листы нумеруются и оставляются поля: слева для подшивки – 30 мм, справа – 15 мм, снизу и сверху – 20 мм. При оформлении отчета условные обозначения всех элементов схем изображать по действующим ГОСТ. При этом можно ориентироваться на принятые в учебной литературе изображения элементов электронных схем. Рисунки должны быть выполнены аккуратно. Титульный лист оформляется по прилагаемому образцу (приложение А) и выполняется черной пастой или отпечатывается.

Первые листы содержат текст задания, схемы и исходные данные расчетного варианта. Расчеты и необходимые пояснения выполняются на остальных листах отчета.

Структура должна соответствовать пунктам задания. Отдельные части должны иметь заголовки, комментарии и выводы. Записи и формулировки должны быть точными и ясными. При численных значениях должны быть обязательно указаны единицы измерения. Вычисления производить с точностью до второго знака для токов и напряжений. Рассчитанные значения параметров резисторов и конденсаторов округлять до ближайших значений, определяемых стандартизованными рядами (приложение Б) или в [7]. В конце работы обязательно указать используемую литературу, дату и поставить свою подпись. Небрежно оформленная работа может быть возвращена студенту на доработку.

 

 

3 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ, ПРИМЕРНЫЙ КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ

 

3.1 Последовательность решения задания 1

Последовательность решения задания 1 соответствует последовательности решения задач 1.1-1-4. При этом целесообразно использовать материал [1] §§13.9-13.13 учебника ТОЭ, ч. I (Электрические цепи), 2002 г. (Л.А.Бессонов), или раздел «Нелинейные электрические цепи постоянного тока» в аналогичном учебнике, но других лет издания. Пример решения задания 1 в MathCad В представлен в приложение В.

При решении задач допускается корректировка условий с тем, чтобы решение соответствовало физическому смыслу. Принятое Вами решение должно быть согласовано с преподавателем.

3.2 Последовательность решения задания 2

На основе выбранных данных необходимо провести расчет [2] в следующей последовательности:

1. Изобразить схему усилительного каскада на транзисторе, работающий в классе А с одним источником питания , автоматическим смещением и эмиттерной стабилизацией рабочего режима (см. рисунок 2.1 на котором использован транзистор n-p-n типа). Объяснить назначения всех элементов на схеме.

Рисунок 2.1 – Схема усилительного каскада с ОЭ на транзисторе n-p-n типа

Расчет режима покоя .

2. Определить амплитудное значение тока и напряжения на нагрузке, а также выбрать напряжение коллекторного питания используя условия , где , .

3. Определить коллекторный , эмиттерный и базовый токи в рабочей точке: , , .

4. На основе п.2 и 3 определить , где > , округляя при этом параметры резисторов до ближайших значений, определяемых стандартизованными рядами (приложение А).

5. Построить графики допустимого напряжения тока и мощности (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Графические построения в координатах выходных параметрах транзистора

Исходя из наиболее подходящего угла наклона нагрузочной прямой по постоянному току

рассчитать сопротивление . Принять его согласно рядам сопротивлений.

Определить и построить напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора в рабочей точке .

6. Построить нагрузочную прямую по переменному току , где , .

Найти и построить , , ,

7. Определить положение рабочей точки на входной характеристики транзистора и (рисунок 2.3). Далее представлен один из способов определения напряжения по h-параметрам транзистора . Это напряжение, также может определяться и другими способами из справочных данных и составляет для кремниевых транзисторов В.

С точки зрения температурной стабильности режима покоя нужно, чтобы изменение тока базы покоя (вследствие температурной нестабильности напряжения ) слабо отражалось на изменении напряжения . Поэтому требуется, чтобы токи и превышали ток , а также нельзя чтобы резисторы и были слишком малыми и оказывали сильное шунтирующее действие на входную цепь. В результате при расчете элементов входного делителя токи и принимают равными . Тогда , . Принять полученные сопротивления согласно стандартным рядам и условиям п.7.

Расчет рабочего режима .

8. В этом режиме рассчитываются параметры остальных элементов схемы с использованием физической эквивалентной схемы замещения каскада усиления для низких и средних частот. Тогда величина эквивалентного сопротивления базовой цепи и выходное сопротивления каскада для переменной составляющей тока. Представленные соотношения справедливы, если на частоте рабочего сигнала обеспечиваются условия: и .

Затем найти входное сопротивление транзистора (по справочным данным), входное сопротивление транзистора с обратной связью и входное сопротивление каскада , причем необходимо соблюдать условие

9. Определить полученный коэффициент усиления по напряжению для каскада , где – амплитуда напряжения на входе усилителя и транзистора , если эти коэффициенты приблизительно не равны необходимо брать транзистор с большим .

10. Найти для каскада коэффициент усиления по току и мощности , а также , где . Выполнить все построения в входных параметрах транзистора (Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Графические построения в координатах входных параметрах транзистора

 

11. Определить параметры , при потери сигнала на не более 1%: , . Величину находят из соотношения (обычно в 10..100 раз): . Принять полученные значения согласно стандартным рядам.

12. Рассчитать расходуемую источником питания мощность , полезную выходную мощность и КПД каскада : , , .

13. Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности не должен превышать нескольких единиц (~7…10). Коэффициент нестабильности работы каскада: , где .

Проведя анализ усилительного каскада необходимо: чтобы все указанные условия выполнялись. Если какое-то условие не выполняется, то необходимо изменять (подбирать) пассивные элементы каскада или брать другой транзистор с большим . Выбора транзистора с большим обязательно должен быть согласован с преподавателем. Пример решения задания 2 в MathCad В представлен в приложение Г.

Успешное выполнение контрольной работы во многом зависит от систематического и планомерного выполнения студентом графика календарного плана его выполнения (таблица 3.1). После представления контрольной работы она защищается студентом.

 

Таблица 3.1 – Примерных план (график) выполнения контрольной работы

№	Наименование выполненного задания	Объем выполненной работы в %	Сроки выполнения
Плановый	Досрочный
	Получение и оформление задания по варианту		1 неделя	-
	Решение не менее 50% задания		4-5 неделя	3 неделя
	Оформление и предоставление на проверку задания		8-9 неделя	7 неделя
	Защита работы		10 неделя	8 неделя
ИТОГО

 

 

4 ПОРЯДОК ЗАЩИТЫ И ОТВЕТСВЕННОСТЬ СТУДЕНТА ЗА ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

 

4.1 Студент допускается к защите контрольной работы, если в ней не содержится ошибок принципиального характера и соблюдены все требования, предъявляемые к оформлению.

4.2 Защита контрольной работы осуществляется в форме собеседования по теме работы после ее проверки преподавателем и отметки о разрешении к защите.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Северо-Кавказский государственный технический университет»

 

 

Кафедра теоретической и общей электротехники

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по курсу ___ Информационно-измерительной техники и электроники__

 

Выполнил:

Студент ФИО

группы

Работу принял:

 

Ставрополь, 201__

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Номинальные значения сопротивления резисторов и емкости конденсаторов стандартизированы. Они выбираются из определенных рядов чисел путем умножения или деления их на 10n, где n – целое положительное или отрицательное число [7].

 

 

Таблица Б.1 – Номинальные сопротивления постоянных резисторов по рядам

Ряд	Числовые коэффициенты
Е6		1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
Е12		1,2	1,5	1,8	2,2	2,7	3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2
Е24		1,1	1,2	1,3	1,5	1,6	1,8		2,2	2,4	2,7
	3,3	3,6	3,9	4,3	4,7	5,1	5,6	6,2	7,5	8,2	9,1

 

 

Таблица Б.2 – Наиболее употребляемые ряды номинальных значений емкостей постоянных конденсаторов

Е3	Е6	Е12	Е24	Е3	Е6	Е12	Е24
					3,3	3,3	3,3
			1,1				3,6
		1,2	1,2			3,9	3,9
			1,3				4,3
	1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7	4,7
			1,6				5,1
		1,8	1,8			5,6	5,6
							6,2
2,2	2,2	2,2	2,2		6,8	6,8	6,8
	2,7		2,7			8,2	8,2
							9,1

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ В Пример расчета задания 1 в MathCad Задача 1.1 Для заданного сопротивления нагрузки определить величину балластного сопротивления Rб, обеспечивающего требуемый режим в точке пересечения ВАХ стабилитрона и зеркального изображения ВАХ входного сопротивления линейной части схемы по отношению к зажимам, к которым подключается стабилитрон.

Дано:

Решение.

Разомкнем ветвь стабилитрона и найдем напряжение холостого хода:

Так как (по условию)

Найдем из уравнения (1) Rб:

Примем согласно стандартного ряда

Задача 1.2 Для параметрического стабилизатора с полученным в задаче значением Rб. Определить границы допустимого значения U1, при котором напряжение на нагрузке будет изменятся в пределах от до .

Определим входное сопротивление линейной части схемы по отношению к зажимам аb:

 

Зададим ВАХ стабилитрона и проведем две прямые (сплошные) линии через граничные точки так, чтобы тангенс угла (образованного ими с вертикалью), равнялся .

Определим отрезки отсекаемые этими прямыми на оси абсцисс, это и .

Из рисунка находим . Аналогично, находим .

 

Задача 1.3

Для параметрического стабилизатора с полученным в задаче значением Rб. Определить диапазон изменения сопротивления нагрузки Rн, чтобы стабилизатор мог выполнять свои функции.

Воспользовавшись методом эквивалентного генератора, определим и . Задаемся и подсчитываем соответствующие им и . При которых прямые, характеризующие , будут проходить через граничные точки ВАХ стабилитрона.