С помощью электронного осциллографа

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: освоение практических навыков проведения измери тельного эксперимента с помощью электронного осциллографа.

Оборудование: электронный осциллограф, генератор сигналов типа Г4-102, измерительный стенд.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ИЗМЕРЕНИЙ

С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Измерение амплитуды напряжения и временных интервалов - основные процессы, выполняемые с помощью осциллографа. Для отсчета значений этих величин применяют метод калиброванных шкал, компенсационный метод и метод сравнения.

Метод калиброванных шкал применяют для измерения параметров сигнала на прямоугольной шкале- сетке, имеющей равноотстоящие вертикальные и горизонтальные лини. Как правило, предусматривается регулируемая подсветка шкалы, улучшающая условия измерения. Рабочая площадь экрана ЭЛТ и размеры шкалы согласованны; коэффициенты отклонения и развертки ( масштабные коэффициенты) приводятся по отношению к делению шкалы. Процесс измерения заключается в подсчете числа делений шкалы, укладывающихся в интересующий интервал. Перевод в значение напряжения и длительности осуществляется домножением измеренной величины на масштабный коэффициент ( с учетом множителя растяжки ).

Для достижения минимальных погрешностей нужно стремится к тому, чтобы изображение исследуемого сигнала занимало 80-90 % рабочей площади экрана. В этом случае можно уменьшить погрешность измерений в 1.5-2 раза по сравнению с паспортной погрешностью используемого осциллографа.

Для успешного применения метода калиброванных шкал перед измерением следует провести калибровку осциллографа, т.е проверку значений масштабных коэффициентов, и при необходимости- их корректировку.

Сигналы от калибраторов осциллографа подают на вход канала Y. Размеры изображения сравнивают с установленным масштабом. Если наблюдается расхождение между точно известными параметрами калибрационных сигналов и измеренными по шкале, то с помощью плавных регулировок усиления канала Y и длительности развертки устанавливают необходимое соответствие.

Метод калиброванных шкал является основным методом измерений для большинства осциллографов; точность осциллографа обычно указывается применительно к данному методу.

Компенсационный метод позволяет увеличить точность измерения и применяется в осциллографах, содержащих усилитель Y с дифференциальными входами и генератор двойной развертки. Сущность метода состоит в компенсации измеряемой величины образцовой. При этом изображение на экране используется как нуль- индикатор. Выигрыш в точности здесь достигается исключением большинства погрешностей, связанных с нелинейностью отклонения и развертки, геометрическими искажениями ЭЛТ, параллаксом, дискретностью шкалы и т.д.

Измерение амплитуды компенсационным методом производят в осциллографах с дифференциальными выходами. На второй (инвертирующий ) вход подают постоянное ( опорное ) напряжение от плавно регулируемого источника. Это может быть калибратор осциллографа или внешний источник, параметры которого известны или могут быть измерены ( например, с помощью цифрового вольтметра ). Изменением опорного напряжения производят совмещение минимального уровня сигнала с какой-либо горизонтальной риской шкалы. Значение опорного напряжения фиксируется. Затем совмещают с этой же риской максимальный уровень сигнала. Разность в значениях опорного напряжения равна амплитуде сигнала.

Компенсационный метод измерения длительности реализуют в осциллографах с двойной разверткой. При этом используют калиброванную задержку второй развертки. Осциллограф устанавливают в режим работы с задержанной разверткой и регулировки задержки, передний фронт (шкалы) сигнала совмещают с вертикальной риской шкалы. Затем производят совмещение заднего фронта сигнала с этой же риской. Разность значений задержки в том или другом случаях равна длительности импульса.

Метод сравнения измеряемой величины с образцовой реализован в осциллографах С1-40. Для этого с помощью электронных коммутаторов на экране вместе с сигналом формируют две светящиеся точки, положение которых в пределах экрана может независимо регулироваться. Расстояние между точками по вертикали является образцовым для измерения для напряжения, по горизонтали - для измерения длительности; значение образцовых величин считывают с органов регулировки положения точек. Процесс измерения заключается в совмещении точек с интересующим размером изображения. Таким образом, сравнение измеряемой и образцовой величины производят непосредственно на экране без использования шкалы. Это позволяет получить погрешность измерения не хуже 2%.

В качестве примера использования калиброванных шкал рассмотрим измерение параметров прямоугольных импульсов. Размер изображения импульса устанавливается так. чтобы его амплитуда занимала всю шкалу. При этом калибровка по оси Y может не соблюдаться. Затем производится отсчет длительностей фронта wф и среза wср и длительности импульса wи в делениях шкалы, причем wф и wср измеряются между уровнями 0.9 и 0.1, а wи- по уровню 0.5. Для удобства измерения шкала осциллографа имеет пунктирные линии, соответствующие отсчетным уровням. Пересчет в значение длительности осуществляется домножением на коэффициент развертки с учетом множителя растяжки. После установки калиброванного масштаба по оси Y производится измерение амплитуды, а также величины выброса импульса.

Измерение коэффициента амплитудной модуляции производят путем отсчета максимального и минимального размера изображения амлитудно-модулированного сигнала непосредственно в делениях шкалы (рис.1). Расчет ведут по формуле :

m= (A-Б / А+Б ) *100%

Иногда величины А и Будобнее измерять при синусоидальной развертке. Для этого отключают генератор развертки, а на выход X подают модулирующее напряжение. На экране получается изображение в виде трапеции (рис.1) , по которому и определяют величины А и Б , подставляемые в формулу полученную выше.

Различают два основных способа измерения интервалов времени ¦ tх :

1.осциллографический

2.цифровой

Цифровой это измерение интервалов времени и частоты с помощью цифровых частотометров, с помощью электромеханических частотометров.

Измерение ¦ tх с помощью осциллографа производится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием “ линейной развертки”. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения ¦ tх составляет единицы процентов. Погрешность измерения из-за нелинейности развертки можно исключить, применив цифровую приставку. При измерении оператор совмещает яркостные метки с характерными точками осциллограммы, после чего значение временного интервала считывается с цифрового отсчетного устройства приставки.

Измерение частоты с помощью осциллографа. На экране осциллографа отмечают период следования сигнала за счет калиброванной развертки осциллографа: считаем число клеток по горизонтали (целые и дробные) и умножаем результат на цену ( Т = n t ( µS/Кл)) деления развертки - переключатель длительности развертки- µS, mS на деление. Этот метод универсальный, он используется для оценки частоты следования произвольных периодических сигналов. Точность его 5'10 %. Более точные результаты дают методы сравнения, в качестве меры используют измерительные генераторы. Точность этого метода определяется характеристикой измерительного генератора и степенью совпадения на индикаторе.