Осциллографический способ отображения колебаний

Другими способами отображения колебаний служат осциллографические методы визуального и измерительного характера регистрации механических или электрических частотных сигналов, а также колебательных процессов.

Допустим, калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала путем модуляции яркости луча, т.е. подачи на сетку Электронной Лучевой Трубки осциллографа напря­жения известной частоты f₀, T₀ = 1/f₀. При этом T_сигн = пТ₀, где п - ко­личество калибровочных меток.

Существующие способы повышения точности этого метода также ис­пользуются в цифровых осциллографах. В некоторых случаях это позво­ляет получить погрешность менее 1 %.

В некоторых случаях сравнение частот двух гармонических сигналов можно получить методом интерференционных фигур (фигур Лиссажу). С этой целью колебания известной — образцовой частоты f₀ - подают­ся на один вход осциллографа (например, X; собственная развертка ос­циллографа отключается). На второй вход подаются колебания неиз­вестной частоты f_изм. Частоту образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа получилась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой приведены в таблице 42.1.

Таблица 42.1

Точность такого метода определения частоты оказывается высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и на­блюдение таких фигур — достаточно сложная изме­рительная задача.

Соотношение частот двух гармонических коле­баний может быть определено как отношение числа точек пересечения по вертикали к числу точек пере­сечения по горизонтали. Например, как показано на рисунке 42.8 а, это соотношение составляет:

а)

б)

в)

Рисунки 42.8 – а); - б); - в) - Характеристики импульсов

При осциллографировании импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

- частотный диапазон канала вертикального отклонения
где ƒ_В, ƒ_Н - верхняя и нижняя граничные частоты канала;

ΔF - переходная характеристика канала осциллографа.

Частотные свойства осциллографа отражаются параметрами его ам­плитудно-частотной характеристики (АЧХ) - зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. Более подробно о работе осциллографов можно ознакомиться из лабораторной работы № 41 «Осциллограф». АЧХ характери­зуют полосой пропускания, определяемой верхней граничной частоты ƒ_В, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения на­пряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью. К параметрам переходной характеристики, представленной на рисунке 2 б, относят время на­растания τ_но - интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня U_m) переходной характери­стики. Плоская часть переходной характери­стики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополни­тельные параметры: время установления τ_уо, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром δ. Время на­растания - основной параметр канала Y осциллографа. Для исследования кратковремен­ных сигналов необходим осциллограф, имею­щий время нарастания не более 0,3 от дли­тельности сигнала. Учитывая вышеизложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле: ƒ_В = 2 / τ_И;

При этом длительность импульса определяется по выражению:

15 Перечень лабораторных работ раздела 9:

Раздел 9 Измерение колебаний

Лабораторная работа № 42 ХРОНОМЕТР

Раздел 10 Измерение частоты

Измерение частоты можно осуществлять не только частотомером, но и осциллографом. Осциллограф универсальный С1 - 68 - предназначен для наблюдения и исследования формы электрических процессов путем визуального наблюдения и измерения их временных и амплитудных значений. По точности воспроизведения сигнала, измерения временных и амплитудных значений прибор относится ко 2—3 классам точности. Условия эксплуатации: рабочая температура окружающего воздуха от минус 10° до плюс 50 °С; предельная температура от минус 50 °С до +60 °С; относительная влажность воздуха до 95 % при температуре до плюс 30 ºС. Прибор нормально работает после воздействия (в укладочном ящике) ударных нагрузок: многократного действия с ускорением до 15g длительностью импульса от 5 до 10 мс; одиночного действия с ускорением до 75g длительностью импульса от 1 до 10 мс. Прибор устойчив к циклическому изменению температуры окружающего воздуха от предельной положительной до предельной отрицательной. Прибор выпускается в двух вариантах исполнения: настольном И22.044.053; стоечном И22.044.054.Технические данные. Осциллограф С1 - 68 обеспечивает:

а) наблюдение формы импульсов обеих полярностей длительностью от 2 мкс до 16 с амплитудой от 1 мВ до 300 В;

б) наблюдение периодических сигналов в диапазоне частот от 0,06 Гц до 1 МГц;

в) измерение амплитуд исследуемых сигналов в диапазоне от 2 мВ до 300 В, а с выносным делителем 1:10 - от 20 мВ до 350 В;

г) измерение временных интервалов — от 2 мкс до 16 с.

Коэффициенты отклонения (положение переключате­ля «V/cm, mV/cm») устанавливаются:

а) скачкообразно от 1 мВ/см до 5 В/см с возможностью умножения (уменьшение чувствительности) на 10; плавное перекрытие каждого поддиапазона не менее 2,5 раза;

б) основная погрешность измерения напряжения в диапазоне от 2 мВ до 300 мВ при размере изображения от 2 до 6 делений не превышает: ± 5 % — при коэффициентах отклонения от 2 мВ/см до 50 В/см; ± 8 % — при коэффициенте отклонения 1 мВ/см «xl» или «х10» коэффициент отклонения канала горизонтального отклонения не более 1 В/см. Время нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения луча не более 0,35 мкс; с выносным делителем 1:10 — 0,45 мкс. Время установления переходной характеристики канала вертикального отклонения луча не более 1,1 мкс: с выносным делителем 1:10 — 1,8 мкс. Выброс переходной характеристики канала вертикального отклонения не более 5 %; с выносным делителем 1:10 —не более 8 %. Спад вершины переходной характеристики при закрытом входе не более 10 % при длительности 10 мс. Неравномерность переходной характеристики не более 3 %; с выносным делителем 1:10 — не более 10 %. Параметры входов:

а) канала вертикального отклонения — входное активное сопротивление (1 ± 0,02) МОм, входная емкость (50 ± 5) пФ; с выносным делителем 1:10—входное сопротивление (10 ± 1) МОм, входная емкость не более 13 пФ, погрешность коэффи­циента деления не более ± 10 %;

б) канала горизонтального отклонения — входное активное сопротивление не менее 50 кОм, входная емкость не более30 пФ;

в) входа внешней синхронизации — входное активное сопро­тивление не менее 50 кОм в положении переключателя синхро­низации «Внеш. 1:1» и не менее 500 кОм в положении «Внеш.1:10», входная емкость не более 50 пФ;

г) канал «Z» — входное сопротивление (1 ± 0,2) МОм, вход­ная емкость не более 35 пФ. Допускаемое суммарное значение постоянного и переменного напряжений в закрытом входе не более 350 В.

Максимальный измеряемый размах исследуемого сигнала не более 300 В.

Максимальный размах исследуемого сигнала, подаваемого на вход прибора через выносной делитель 1:10, не более 350 В. Пределы перемещения луча по вертикали не менее двух значений номинального вертикального отклонения.

Пределы перемещения луча по горизонтали обеспечивают совмещение начала и конца рабочей части развертки с центром экрана. Генератор развертки может работать в периодическом или ждущем режиме и имеет следующие параметры:

а) диапазон длительностей развертки (калиброванных коэффициентов развертки) от 2 с/см до 2 мкс/см разбит на 19 фиксированных поддиапазонов. Предусмотрена возможность пятикратной растяжки развертки (пятикратного уменьшения коэффициента развертки в положении «0,2»). Плавное перекрытие каждого поддиапазона не менее 2,5 раза;

б) основная погрешность измерения временных интервалов в диапазоне от 2 мкс до 16 с при измеряемом размере изображения по горизонтали от 4 до 8 делений рабочей части развертки не более ± 5 % без растяжки и ± 8 % — с использованием растяжки. Внутренняя синхронизация развертки осуществляется сигналом любой полярности при минимальном уровне изображения не более 3 мм и максимальном уровне — 60 мм в диапазоне частот от 1 Гц до 1МГц и импульсными сигналами длительностью от 1,4 мкс и более. Внешняя синхронизация развертки осуществляется сигналом в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц при амплитуде сигнала от 0,5 до 50 В, а также импульсными сигналами с длительностью от 1,4 мкс и более при амплитудах от 0,5 до 50 В.

Нестабильность синхронизации развертки (размытость изображения) не превышает ширины линии луча.

Синхронизация от сети — частотой 50, 400 Гц, минималь­ный уровень изображения — не более 3 мм, максимальный уровень — не менее 60 мм. Амплитуда напряжения развертки для запуска внешних устройств, выведенного на гнездо « ^ » в пределах от 5 до 12 В на нагрузке сопротивлением не менее 20 кОм и емкостью не более 100 пФ. Размеры рабочей части экрана по вертикали не менее 60 мм (6 делений) и по горизонтали не менее 80 мм (8 делений). Ширина линии луча не более 0,7 мм, а при коэффициенте отклонения по вертикали 1 мВ/см — не более 1 мм. Минимальная частота следования развертки, при которой обеспечивается наблюдение исследуемого сигнала на наиболее быстрой развертке, не более 250 Гц. Нелинейность отклонения не превышает 5 %. Полоса пропускания канала горизонтального откло­нения от 0 до 500 кГц. Опорная частота 1 кГц. Параметры, определяющие нестабильность положения луча: долговременный дрейф нулевой линии в течение 1 ч работы после 15 мин. прогрева не превышает 3,5 мВ (35 мм); кратковременный дрейф за 1 мин в течение 1 ч не пре­вышает 0,3 мВ (3 мм); смещение луча при изменении напряжения питания на ± 10 % не более 0,3 мВ (3 мм). Периодические (от внутреннего преобразователя напряжения или случайные шумы) отклонения луча не превышают 2 %. Задержка начала развертки относительно сигнала синхронизации не более 0,3 мкс. Нелинейность развертки в пределах рабочей части развертки не превышает 5 %. При растяжке длительности развертки «хО,2» нелинейность не превышает 10 %.

Параметры, зависящие от электронно-лучевой трубки:

а) геометрические искажения не более 3 %;

б) погрешность ортогональности не более 2°;

в) яркость луча осциллографа регулируется от полного отсутствия до величины, удобной для наблюдения.

Модуляция яркости обеспечивается при подаче на гнездо «-£) Z» сигнала с амплитудой от 20 до 50 В в диапазоне частот от 20 Гц до 200 кГц. Яркость подсвета шкалы регулируется от полного отсутствия до величины, удобной для наблюдения. В приборе обеспечивается возможность подачи исследуемых сигналов в полосе частот от 20 Гц до 10 МГц не­посредственно на открытый симметричный вход отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки через внешний переходной конденсатор емкостью не менее 0,1 мкФ. Параметры входов «Пластины Y» и «Пластины X» входное сопротивление относительно корпуса — (1 ± 0,2) МОм при входной емкости не более 20 пФ. Чувствительность входа «Пластины Y» не менее 1,0 мм/В «Пластины X» — не менее 0,6 мм/В (определяется техническими условиями на ЭЛТ). Внутренний источник калиброванного напряжения генерирует П-образные импульсы с частотой 2 кГц (период 0,5 мс)и амплитудой 0,1 и 1 В: а) основная погрешность напряжения и частоты не превышает ± 1,5 %;

б) ассиметрия импульсов не превышает 20 %. Питание прибора осуществляется: - от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В частотой (50 ± 0,5) Гц, напряжением (115 ± 5,75) В и (220 ± 11) В частотой (400 ± 12) Гц и содержанием гармоник до 5 %. - от источника постоянного тока напряжением (12,6 ± 1,26) В и (24 ± 2,4) В. Мощность, потребляемая от сети при номинальном на­пряжении, не превышает 40 ВА. Величина тока, потребляемого прибором от источника постоянного тока напряжением 12,6 В, не превышает 1,8 А. Время установления рабочего режима прибора не превышает 15 мин. Прибор допускает непрерывную работу в течение 16 часов. Наработка приборов на отказ не менее 1500 ч. Средний срок службы прибора 10 лет. Средний ресурс 5000 ч. Масса прибора не более: для настольного исполнения — 10 кг; для стоечного исполнения — 14 кг. Масса прибора с транспортной тарой не более: для настольного исполнения — 45 кг; для стоечного исполнения — 46 кг. Габаритные размеры прибора: для настольного исполнения — 274X182X440 мм. для стоечного исполнения — 520X160X510 мм

Рисунок 10.1 - Некоторые виды осциллографов

Рисунок 10.1а

Рисунок 10.1б