Тема: Измерения осциллографом и определение параметров сигнала на их основе

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-45

Теоретическая часть

Осциллограф относится к классу приборов, способных обеспечить получение изображения в двух измерениях изменения мгновенного значения измеряемого параметра. С их помощью можно анализировать внутренние процессы в электрической цепи в реальном времени. Осциллограф обеспечивает наблюдение, регистрацию и измерение параметров исследуемого электрического сигнала. Он является прибором для измерения напряжения, но это не исключает возможностей его применения для измерения других электрических параметров, таких, как ток и др. Обычным способом измерения значения тока является измерение напряжения на резисторе с известным номиналом при прохождении через него тока. Отображаемая осциллографом форма напряжения в точности соответствует форме тока. Однако при больших токах более предпочтительным является применение токового щупа, например, для снятия параметров синусоидальных токов может использоваться калиброванные трансформаторные токовые клещи. Однако такой щуп имеет ограниченные возможности из-за относительно ограниченного частотного диапазона. От этого недостатка свободны активные токовые щупы, работающие на эффекте Холла и позволяющие измерять осциллографом как периодические электрические величины со сложной формой, так и постоянный ток.

Наиболее используемыми являются универсальные осциллографы, которые имеют маркировку С1. Они могут быть однолучевыми и двухлучевыми.

С помощью осциллографа возможно проводить следующие измерения:

а) измерение амплитудных параметров электрического сигнала;

б) измерение временных параметров сигнала;

в) измерение частот синусоидальных напряжений методом фигур Лиссажу;

г) измерение фазового сдвига между двумя синусоидальными напряжениями методом эллипса и др.

На практике чаще всего осциллографы используются для измерений амплитудных и временных параметров сигнала. Рассмотрим несколько характерных примеров:

Пример 1. Как с помощью осциллографа, имеющего открытый и закрытый входы, измерить постоянную и переменную составляющие сигнала, изображенного на рисунке 11.1 ( = 10 В, Т = 10 мс).

Рисунок 11.1

Решение. Сигнал подается на открытый вход осциллографа, и на экране устанавливается изображение, затем измеряется .Далее сигнал подается на закрытый вход и определяется количество делений п, на которое опустится изображение по вертикали.

Постоянная составляющая

,

где – цифровой индекс коэффициента отклонения. Амплитуда переменной составляющей

В.

Пример 2. Определить значение угла сдвига фаз между двумя исследуемыми напряжениями и , образующими на экране ЭЛТ эллипс (рисунок 11.2). Коэффициенты отклонения луча по осям X и Y составляют и .

Рисунок 11.2

Решение. Исследуемые напряжения и подаются соответственно на Y- и Х-входы осциллографа. Мгновенные отклонения луча на экране по осям х и у будут: ; , где ; – амплитуды отклонений луча. Электронный луч вычертит эллипс. Значение радиус-вектора, определяющего положение светящегося пятна в каждый момент времени,

.

Считая , получим

.

Оси эллипса определим из условия максимального и минимального значений :

; ; .

Длины большой и малой осей:

; .

Угол сдвига фаз определим из условия или .

Задачи

1. Определить амплитудное, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения идеального прямоугольного импульса, изображенного на экране осциллографа (рисунок 11.3). Масштаб изображения 1:1; 1 дел = 5 мм. Коэффициент отклонения = 0,1 В/дел, длительность калиброванной развертки Д_р = 1мкс/дел.

2. Определить значение угла сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами и – по осциллограммам напряжений на экране осциллографа (рисунок 11.4).

Рисунок 11.3 Рисунок 11.4

3. Для сигнала В, требуется определить показание вольтметра среднеквадратических значений для случаев открытого и закрытого входов.

4. При измерении фазового сдвига четырехполюсника с помощью осциллографа методом линейной развертки получена осциллограмма, представленная на рисунке 11.5. Требуется найти интервал времени, соответствующий фазовому сдвигу, если измерение выполнено на частоте 10 кГц.

Рисунок 11.5

5. На экране электронного осциллографа (вход открытый) наблюдают сложный сигнал, состоящий из постоянной составляющей U₀ = 5 В и переменной (синусоидальной) составляющей с амплитудным значением 3 В. Необходимо определить среднеквадратическое значение этого сигнала.

6. Имеется 2 функции и , частота первого сигнала f₁ = 100 Гц, второго – f₁ = 150 Гц. Требуется отобразить осциллограмму этих сигналов.

Вопросы к практическому занятию

1. Поясните назначение осциллографа.

2. Что собой представляет осциллограф?

3. Какие измерения можно проводить осциллографом?

4. Как с помощью осциллографа определить постоянную составляющую и амплитудное значение переменной составляющей при несинусоидальном напряжении?

5. Что такое открытый вход осциллографа?

6. Что такое закрытый вход осциллографа?

7. Как по осциллограмме определить период исследуемой функции?

8. Как по осциллограмме определить амплитуду функции?

Практическое занятие 12