Измерение параметров периодического напряжения

С помощью осциллографа

Цель работы. Приобретение навыков измерения параметров периодического напряжения с помощью осциллографа. Получение сведений о характеристиках и устройстве осциллографа.

5.1. Сведения, необходимые для выполнения работы

5.1.1. Осциллографы наряду с универсальными измерительными приборами и являются наиболее часто используемыми приборами. Они обладают гораздо более широкими возможностями по сравнению с другими приборами, так как позволяют увидеть форму сигнала и измерить его параметры. Работа осциллографа основана на принципе облучения покрытого люминофором стеклянного экрана пучком электронов. Перемещаясь по экрану под влиянием пластин горизонтального (Х) и вертикального (Y) отклонений, луч вызывает флуоресценцию экрана. Яркость луча регулируется, так что данное устройство подобно телевизионной трубке. Однако в осциллографе по оси Х обычно представляется время, а по оси Y значения исследуемого сигнала и, таким образом, на экране можно наблюдать сигнал как функцию времени.

Большинство современных осциллографов способны принимать по два и более входных сигнала при одновременной их демонстрации на экране. Это достигается как путем расщепления основного луча, так и при помощи многолучевой электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

5.1.2. Главной составляющей любого осциллографа, таким образом, является электронно-лучевая трубка, на которой представляется наблюдаемый сигнал. У всех ЭЛТ имеется катод, который испускает пучок электронов (луч). Луч регулируется модулятором (управляющей сеткой), после чего он фокусируется и ускоряется двумя парами пластин, которые могут отклонять его в горизонтальном Х и вертикальном Y направлениях.

При отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах пучок электронов фокусируется в центре ЭЛТ и образует светящуюся точку. Степень отклонения луча какой-либо парой пластин пропорциональна приложенному к ним напряжению. Если к пластинам горизонтального отклонения приложить непрерывное пилообразное напряжение достаточной амплитуды, то на экране электронный луч будет чертить практически горизонтальную линию. Во время обратного хода пучок электронов прерывается и включается вновь при начале следующего зубца пилообразного напряжения.

Если периодическое напряжение приложить к пластинам вертикального отклонения, а линейное пилообразное – к пластинам горизонтального отклонения, то на экране можно будет увидеть изображение периодического напряжения.

5.1.3. Для получения стационарного изображения осциллографы содержат схемы синхронизации, которые синхронизируют генератор развертки таким образом, что его частота равна определенной кратной величине от частоты входного сигнала. При этом развертка всегда запускается одновременно с началом периода входного сигнала. Точка запуска на кривой сигнала может быть задана при помощи ручки управления на передней панели осциллографа. Кроме того, осциллограф можно синхронизировать внешним источником или частотой промышленной сети изменением положения соответствующего переключателя.

5.1.4. Амплитуда входного сигнала может изменяться от нескольких милливольт до сотен вольт. Такой широкий диапазон сигналов обеспечивается входным аттенюатором, который, как правило, обладает коэффициентом уменьшения до 1500; кроме того имеется усилитель вертикального отклонения с коэффициентом усиления около 2000.

Аттенюатор используется в том случае, если необходимо изменить амплитуду сигнала, поступающего на усилитель. Его коэффициент ослабления обычно составляет 1000 и реализуется примерно десятью ступенями ослабления. В сочетании с усилителем это обеспечивает изменение типичного коэффициента вертикального отклонения от 10 мВ до 50 В на деление.

5.1.5. Погрешность в воспроизведении формы исследуемого сигнала на экране ЭЛТ будет определяться в первую очередь двумя факторами:

1) точностью, с которой соблюдается отношение пропорциональности между текущим значением исследуемого напряжения и значением управляющего напряжения, приложенного к вертикально отклоняющим пластинам;

2) точностью, с которой соблюдается постоянство скорости луча при его перемещении вдоль горизонтальной оси ЭЛТ.

Для нормирования этих факторов используются такие метрологические характеристики осциллографа, как коэффициент вертикального отклонения и коэффициент развертки .

Под коэффициентом вертикального отклонения понимают отношение значения напряжения на входе канала вертикального отклонения к величине вертикального перемещения луча на экране ЭЛТ, произошедшего под воздействием этого напряжения:

. (5.1)

Эта величина имеет размерность или . Выбор размерности зависит от того, в каких единицах измеряется перемещение луча – в сантиметрах или в делениях шкалы координатной сетки, нанесенной на экран ЭЛТ осциллографа. Коэффициент отклонения характеризуется диапазоном калиброванных значений и основной погрешностью. Калиброванные значения выбираются из ряда , где . Основная погрешность нормируется в соответствии с классом осциллографа (см. табл. 5.1).

Таблица 5.1

Нормы на метрологические характеристики осциллографа

Параметр	Норма для осциллографа класса
I	II	III	IV
Основная погрешность коэффициента вертикального отклонения, % не более	2,5
Основная погрешность коэффициента развертки, % не более	2,5

Под коэффициентом развертки понимают отношение длительности прямого хода луча на экране ЭЛТ к величине произошедшего за время горизонтального перемещения луча на экране ЭЛТ:

. (5.2)

Эта величина имеет размерность время см или время дел. Коэффициент развертки характеризуется диапазоном калиброванных значений и основной погрешностью. Калиброванные значения выбираются из ряда , где . Основная погрешность нормируется в соответствии с классом осциллографа (табл. 5.1).

5.1.6. Измерения с помощью осциллографа можно проводить как методом непосредственной оценки, так и методом сравнения с мерой.

Измерение значения напряжения методом непосредственной оценки сводится к определению , фактически являющегося ценой деления шкалы, и к определению вертикальных размеров изображения на экране ЭЛТ. Оценка значения измеряемого напряжения получается из соотношения

. (5.3)

Определение коэффициента производится путем калибровки канала вертикального отклонения. Эта процедура выполняется с помощью калибратора амплитуды.

Во многих осциллографах используются встроенные калибраторы, генерирующие прямоугольные импульсы стабильной амплитуды. Подключая калибратор ко входу вертикального отклонения, регулировкой чувствительности канала добиваются вертикального размера импульсов требуемому числу делений шкалы ЭЛТ.

Из соотношения (5.3) видно, что оценка значения измеряемой величины находится на основании зависимости между искомой величиной и другими величинами, значения которых получают в результате прямых измерений. Таким образом, осциллографические измерения методом непосредственной оценки являются косвенными измерениями. Следовательно, предел относительной погрешности результатов измерений напряжения можно оценить по формуле

. (5.4)

Погрешность коэффициента вертикального отклонения определяется классом осциллографа. Ясно, что это инструментальная составляющая погрешности.

Погрешность определения размеров изображения зависит, в первую очередь, от толщины линии луча на экране ЭЛТ. Ширина линии в зависимости от размытости и расфокусировки изображения на экране составляет от 0,2 мм до 1,0 мм для разных типов осциллографов. Таким образом, погрешность определения размеров изображения на экране также по своей сути является инструментальной, но в нее входит погрешность параллакса при снятии отсчетов, поэтому погрешность определения размеров изображения на экране осциллографа обычно называют погрешностью отсчета. Погрешность отсчета тем меньше, чем тоньше луч. Современные осциллографы имеют поперечные размеры экрана до 10 – 15 см. Например, осциллограф С1 – 83 имеет толщину луча 0,8 мм и поперечные размеры экрана 100 120 мм. Поэтому относительная погрешность отсчета при максимальном размере изображения на экране ЭЛТ будет равна

(5.5)

Очевидно, что относительная погрешность отсчета зависит от размеров изображения на экране осциллографа. Она тем меньше, чем больше размер. Поэтому при выполнении измерений с помощью осциллографа необходимо добиться на экране как можно большего изображения.

5.1.7. Измерение периода гармонического напряжения методом непосредственной оценки выполняется практически так же, как измерение , и сводится к определению коэффициента развертки , являющегося ценой деления шкалы, и к определению горизонтальных размеров изображения на экране ЭЛТ. Отличие заключается в том, что для калибровки коэффициента используется калибратор длительности.

Калибратор длительности обычно совмещается с калибратором амплитуды и представляет собой встроенный в осциллограф генератор прямоугольных импульсов стабильной частоты и длительности. С помощью соответствующего переключателя он может подключаться ко входу вертикального отклонения осциллографа. Специальной регулировкой добиваются того, чтобы определенному числу периодов напряжения генератора соответствовало требуемое число делений по горизонтальной оси.

Оценка длительности измеряемого временного интервала производится по формуле

. (5.6)

Измерения косвенные, и предел относительной погрешности результатов измерения интервала вычисляется по формуле

. (5.7)

Погрешность коэффициента развертки определяется классом осциллографа. Погрешность определения горизонтальных размеров изображения зависит от толщины линии луча на экране ЭЛТ, как и при измерении напряжения.

5.2. Подготовка осциллографа к работе

5.2.1. Измерения параметров периодического напряжения в данной лабораторной работе проводятся с использованием двухканального осциллографа С1 – 83. Осциллограф относится ко II классу и имеет толщину линии луча не более 0,8 мм.

Лицевая панель осциллографа содержит 6 групп органов управления и экран ЭЛТ. Слева от экрана ЭЛТ расположены ручки управления и переключатели канала I (вверху), ручки управления и переключатели канала II (внизу) и пять кнопок переключения режимов работы входов осциллографа.

В зоне под ЭЛТ расположены ручки регулировки яркости «☼» луча, фокусировки луча, астигматизма луча и яркости подсветки шкалы ЭЛТ. Здесь же имеется кнопка включения питания и световой индикатор о включенном питании.

Справа от экрана расположена ручка «1 » перемещения луча в горизонтальном направлении, переключатель «РАЗВЕРТКА» для выбора требуемого коэффициента развертки, кнопки выбора режима синхронизации и ручка «УРОВЕНЬ» выбора уровня синхронизации.

5.2.2. После включения осциллографа убедитесь в его нормальном функционировании путем проверки действия основных органов управления в нижеуказанной последовательности: входные переключатели канала I и канала II установите в положение ~;нажмите кнопку«gg»;выведите лини разверток на рабочую часть экрана с помощью ручек «2» каналов I и II и убедитесь в возможности перемещения каждой линии в пределах всего вертикального размера экрана; убедитесь в возможности совмещения начала и конца рабочей части линий развертки каналов I и II с центром экрана с помощью ручки «1 ».

5.2.3. Осциллограф готов к проведению измерений через 15 мин после включения.

5.2.4. Откалибруйте канал I осциллографа следующим образом.

Нажмите кнопку «I» управления каналами. Входной аттенюатор канала I установите в положение «q 6 дел», ручку плавной регулировки коэффициента вертикального отклонения поверните по часовой стрелке до упора. На блоке СИНХРОНИЗАЦИЯ выберите внутреннюю синхронизацию, нажав на кнопку «I» и кнопку «+».С помощью переключателя «РАЗВЕРТКА» установите коэффициент развертки 1 ms/дел. Вращая ручку «УРОВЕНЬ», добейтесь устойчивого изображения прямоугольного напряжения на экране ЭЛТ. Убедитесь в том, что размах прямоугольного напряжения равен 6 делениям, в противном случае с помощью резистора канала I, ось которого выведена под шлиц, добейтесь вертикального размера импульсов 6 делений.

Проверьте калибровку коэффициента развертки, убедитесь, что на 10 делениях шкалы развертки укладываются 10 периодов прямоугольных импульсов калибратора, в противном случае с помощью резистора Х, ось которого выведена под шлиц и находится на боковой стенке осциллографа, добейтесь горизонтального размера 10 периодов прямоугольного напряжения, равного 10 делениям.

5.2.5. Откалибруйте канал II следующим образом.

Нажмите кнопку «II» управления каналами. Входной аттенюатор канала II установите в положение «q 6 дел», ручку плавной регулировки коэффициента вертикального отклонения поверните по часовой стрелке до упора. Вращая ручку «УРОВЕНЬ», добейтесь неподвижного изображения прямоугольного напряжения на экране ЭЛТ. Убедитесь в том, что размах прямоугольного напряжения равен 6 делениям, в противном случае с помощью резистора канала II, ось которого выведена под шлиц, добейтесь вертикального размера импульсов 6 делений.

5.3. Измерение максимальной величины

периодического напряжения

5.3.1. Проверьте калибровку коэффициентов вертикального отклонения и коэффициента развертки, как указано в пп. 2.4 и 2.5.

5.3.2. Включите одноканальный режим работы осциллографа, нажав кнопку «I» выбора первого канала.

5.3.3. Подайте сигнал на гнездо входа первого включенного канала. Источником сигнала может являться один из генераторов периодических напряжений, указанный преподавателем. Параметры сигнала устанавливаются преподавателем.

5.3.4. Установите переключатель выбора коэффициента вертикального отклонения в такое положение, при котором величина изображения исследуемого сигнала находилась бы в пределах от 3 до 8 делений.

5.3.5 Ручкой уровень добейтесь устойчивого изображения, выбрав при этом синхронизацию от сигнала используемого канала.

5.3.6. Установите переключатель ВРЕМЯ/дел включенной развертки в положение, при котором на экране наблюдается несколько периодов исследуемого сигнала.

5.3.7. Установите ручку «2» включенного канала так, чтобы нижний уровень сигнала совпадал с одной из нижних линий шкалы, а другой находился в верхней части экрана ЭЛТ.

Ручкой «1 » горизонтального перемещения луча сместите изображение таким образом, чтобы один из уровней находился на центральной вертикальной линии шкалы.

5.3.8. Измерьте количество делений между крайними точками изображения по вертикальной оси.

5.3.9. Запишите в отчет показания осциллографа и коэффициент вертикального отклонения, а также сведения о классе осциллографа и толщине линии луча.

5.3.10. Оставляя неизменной частоту исследуемого сигнала, выполните измерения в соответствии с пп. 3.4 – 3.9 для 5 – 6 различных значений напряжения на выходе генератора сигналов. Значения устанавливаются преподавателем.

5.3.11. Вычислите оценки значений измеренных напряжений, абсолютную и относительную погрешности значений напряжений. Вычисления занесите в отчет. Результаты вычислений и результат измерений занесите в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Результаты измерения амплитуды периодического напряжения

с помощью осциллографа

Вертикал. размер изображ., дел.	Цена деления, В(мВ)/дел	Показания, В(мВ)	Абсолютная погрешность, мВ	Относит. погрешн., %	Результат измерения, В(мВ)

5.4. Измерение с помощью осциллографа временных

параметров импульсного напряжения

5.4.1. Проверьте калибровку коэффициентов отклонения и развертки, как указано в пп. 2.4.

5.4.2. Включите двухканальный режим работы осциллографа путем нажатия кнопки «gg». Подайте синхроимпульс с выхода генератора сигналов на вход канала I осциллографа, а на вход канала II осциллографа подайте сигнал в виде прямоугольных импульсов. Параметры прямоугольных импульсов устанавливаются преподавателем.

5.4.3. Нажмите на кнопку «I» выбора первого канала. Установите переключатель выбора коэффициента вертикального отклонения КАНАЛА I в такое положение, при котором величина изображения исследуемого сигнала находилась бы в пределах от 3 до 4 делений.

5.4.4. Ручкой уровень добейтесь устойчивого изображения, выбрав синхронизацию от сигнала первого канала.

5.4.5. Установите переключатель ВРЕМЯ/дел включенной развертки в положение, при котором на экране наблюдается один период исследуемого сигнала.

5.4.6. Установите ручку «2» включенного канала так, чтобы нижний уровень сигнала находился в нижней части экрана ЭЛТ, а другой находился в верхней части экрана ЭЛТ.

Ручкой «1 » горизонтального перемещения луча сместите изображение таким образом, чтобы начало развертки совпало со второй вертикальной линией шкалы.

5.4.7. Нажмите на кнопку «II» выбора второго канала. Установите переключатель выбора коэффициента вертикального отклонения КАНАЛА II в такое положение, при котором величина изображения исследуемого сигнала находилась бы в пределах от 3 до 4 делений.

5.4.8. Нажмите кнопку выбора двухканального режима работы осциллографа. Наблюдайте два сигнала на экране ЭЛТ (см. рис.5.1). На экране ЭЛТ должны наблюдаться два сигнала: сигнал синхронизации 1 и исследуемый сигнал 2.

Рис. 5.1

5.4.9. Измерьте количество делений (задержку) между передними фронтами синхроимпульса и исследуемого импульса, как показано на рис.5.1. Результат измерения занесите в отчет.

5.4.10. Вычислите оценку значения измеренного времени задержки, абсолютную и относительную погрешности времени задержки. Результаты вычислений и результат измерений занесите в табл. 5.3.

5.4.11. Включите одноканальный режим работы осциллографа, нажав на кнопку «II». Сигнал 1 (рис. 5.1) должен исчезнуть с экрана ЭЛТ.

5.4.12. Увеличьте чувствительность по горизонтальной оси, повернув переключатель «РАЗВЕРТКА» по часовой стрелке до упора.

Таблица 5 3

Результаты измерения времени задержки

с помощью осциллографа

Горизонт. размер изображ., дел	Цена деления, время/дел	Показания, мс	Абсолютная погрешность, мВ	Относит. погрешн., %	Результат измерения, мс

5.4.13. Ручкой «1 » горизонтального перемещения луча установите в центр экрана ЭЛТ изображение переднего фронта импульса (см. рис. 5.2).

Рис. 5.2

Если чувствительности канала горизонтального отклонения недостаточно, введите множитель 0,2, потянув на себя ручку управления горизонтальным перемещением.

5.4.14. Измерьте количество делений между вертикальными линиями, пересекающими передний фронт на уровнях и . Здесь –амплитуда исследуемого импульса. Результат измерения занесите в отчет.

5.4.15. Вычислите оценку значения длительности переднего фронта импульса, абсолютную и относительную погрешности длительности переднего фронта. Вычисления занесите в отчет. Результаты вычислений и результат измерений занесите в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Результаты измерения длительности переднего фронта

Горизонт. размер изображ., дел	Цена деления, время/дел	Показания, мс	Абсолютная погрешность, мВ	Относит. погрешн., %	Результат измерения, мс

5.4.16. Ручкой «1 » горизонтального перемещения луча установите изображение заднего фронта импульса в центр экрана ЭЛТ (см. рис. 5.3).

Рис. 5.3

5.4.17. Измерьте количество делений между вертикальными линиями, пересекающими задний фронт на уровнях и . Здесь – амплитуда исследуемого импульса. Результат измерения занесите в отчет.

5.4.18. Вычислите оценку значения длительности заднего фронта импульса, абсолютную и относительную погрешности длительности заднего фронта. Вычисления занесите в отчет. Результаты вычислений и результат измерений занесите в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Результаты измерения длительности заднего фронта

Горизонт. размер изображ., дел	Цена деления, время/дел	Показания, мс	Абсолютная погрешность, мс	Относит. погрешн., %	Результат измерения, мс

5.5 Требования к отчету

Отчет должен содержать:

· сведения о цели и порядке выполнения работы;

· сведения об использованных методах измерений;

· сведения о характеристиках использованных средств измерений;

· схемы включения приборов при выполнении измерений и необходимые электрические схемы;

· данные, на основании которых выбирались средства измерений для выполнения каждого пункта задания;

· экспериментальные данные;

· полностью заполненные таблицы по рекомендованной форме, а также примеры расчетов, выполнявшихся при заполнении таблиц;

· анализ полученных данных и вывод об особенностях и качестве проведенных измерений и результатах проделанной работы.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит погрешность измерения амплитуды при помощи осциллографа?

2. Как измерить задержку между двумя периодическими сигналами?

3. Почему при осциллографических измерениях размер изображения на экране стремятся по возможности увеличить?

4. Каким образом можно повысить качество осциллографических измерений?

5. Чем определяется погрешность измерения временных параметров сигнала с помощью осциллографа?

6. Для чего производится калибровка каналов осциллографа?

7. От каких факторов зависит погрешность воспроизведения формы исследуемого сигнала?

КОСТОРНИЧЕНКО ВЛАДИМИР ГРИГОРЬЕВИЧ

ЛАПШИН ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ

СБОРНИК РУКОВОДСТВ

к лабораторным работам

по курсу

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И СЕРТИФИКАЦИЯ

Ответственный за выпуск Косторниченко В.Г.

Редактор Лунева Н.И.

Корректор Селезнева Н.И

ЛР №020565 от 23.06.1997 г. Подписано к печати

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. п. л. –3,3. Уч.-изд. л. – 3,2.

Заказ № Тираж 150 экз.

“C”

Издательство Таганрогского государственного

радиотехнического университета

ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44

Типография Таганрогского государственного

радиотехнического университета

ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса, 1