Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллогра­фа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следую­щим образом:

Up = Су ly; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = C_XL_X — период следования им­пульсов;

τ_п = С_X l_Х — длительность импульса;

С_Х — цена деления сет­ки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения ампли­туды сигнала при этом методе изме­рения составляет 3...5 %. Сущест­вует ряд способов повысить точ­ность измерения амплитуды иссле­дуемого сигнала, например компен­сационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1...2 %.

С по­мощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной вре­менной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиб­рованной развертки (калиброванных меток). Реальная погреш­ность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Калибровочные метки из­вестной частоты наносятся на изображение сигнала длитель­ностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения извест­ной частоты f₀ = 1/T₀. При этом длительность сигнала _и = пТ₀, где п — количество калибро­вочных меток.

Способ измерения по интерференци­онным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измере­ние основано на сравнении неизвестной частоты fx с из­вестной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания из­вестной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (на­пример, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отклю­чается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как от­ношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пе­ресечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение со­ставляет:

Отсюда измеряемая частота определяет­ся как: fx=f0/2.

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

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении 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 ;

• переходная характеристика канала ос­циллографа.

Частотные свойства осциллографа отра­жаются параметрами его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) — зависи­мости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. АЧХ характеризуют полосой пропускания, определяемой верх­ней граничной частоты f_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, 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_уo, отсчиты­ваемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется парамет­ром δ. Время нарастания — основной параметр канала вертикального откло­нения Y осциллографа.

Для исследования кратковременных сигналов необходим осциллограф, имеющий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала.

Учитывая изложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотно­го диапазона определять по формуле:

При этом длительность фронта импульса следует уточнять со­гласно выражению:

где τ_изм — измеренное значение длительности фронта; τ_но — время нараста­ния фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа, должно быть не более 0,1... 0,3 от длительности сигнала.

От нижней граничной частоты F_н зависит величина скоса ∆U_m вершины им­пульса. Эта граничная частота может быть определена из формулы:

где δ_и — допустимая относительная величина спада вершины импульса: