Измерение параметров электрических сигналов

С помощью осциллографа

2.1. Измерение параметров прямоугольного импульса с помощью калиброванных значений коэффициентов отклонения К_отк и развертки К_х.

2.1.1. Изучить по рис. 4.2 определения измеряемых параметров прямоугольного импульса. Поместить этот рисунок в отчет.

Рис. 4.2. К определению параметров прямоугольного импульса

2.1.2. Установить на генераторе импульсов Г5-63 сигнал положительной полярности длительностью 1 мкс, частотой следования 10 или 100 кГц. Подсоединить генератор ко входу канала Y (входной переключатель в положении Открытый вход). Установить генератор развертки осциллографа в ждущий режим (регулятором Стабильность), а переключатель Вид синхронизации- в положение Внутренняя синхронизация.

2.1.3. Зафиксировать регуляторы Усиление и Длительность в крайнем правом положении (до щелчка - механической фиксации). Обратить внимание, что только при фиксированных положениях этих регуляторов можно проводить измерения размаха и длительности сигналов. Используя переключатель входного аттенюатора Вольт/дел добиться размаха исследуемого импульса в пределах 2/3 высоты экрана. Используя переключатель длительности развертки Время/дел добиться положения, чтобы исследуемый импульс по длительности занимал приблизительно половину ширины экрана. Для получения устойчивой осциллограммы импульса использовать регулировки Стабильность и Уровень. Записать установленные значения коэффициентов отклонения К_отк (В/дел) и развертки К_х(мкс/дел).

2.1.4. Отсчитать значения размаха Н и длительности l импульса в делениях шкалы (значение l отсчитать на уровне 0,5 Н); вычислить по установленным значениям коэффициента отклонения К_отк(В/дел) и коэффициента развертки К_х(мкс/дел), значения размаха и длительности измеряемого импульса по формулам:

U (В) = К_отк(В/дел)·Н(дел), t (мкс) = К_х (мкс/дел)·l(дел).

2.1.5. Изменив значение К_х , добиться, чтобы фронт импульса занимал приблизительно половину ширины экрана. Определить длительность фронта t_фи импульса по осциллограмме в делениях шкалы l_ф(дел) и в единицах времени t_фи=К_х ·l_ф .

Указание.У большинства осциллографов предусмотрена возможность изменения скорости развертки не только с использованием регулировки К_х , но и путем включения тумблераМножитель развертки в положение ´0,2.При этом размах напряжения пилообразной развертки увеличивается, а коэффициент развертки К_х уменьшается в 5 раз. Использование быстрой развертки позволяет увеличить масштаб изображения и уменьшить погрешность измерения малых интервалов времени.

2.1.6. Переключить усилитель синхронизации осциллографа в режим запуска отрицательными перепадами сигнала, отрегулировать порог запуска с использованием регулировки Уровень, получить на экране осциллограмму заднего фронта импульса и измерить длительность спада в делениях l_сп и в единицах времени t_спи = К_х ·l_сп.

Исключить систематическую погрешность измерения длительности фронтов, обусловленную конечным временем нарастания переходной характеристики канала Y.

Указание.Длительности фронта и спада определяются как интервалы времени, в течение которых происходит отклонение луча от уровня 0,1 до уровня 0,9 амплитуды импульса и от 0,9 до 0,1 соответственно.Измеренные значения длительностей фронта t_фи t_сп включают в себя и время нарастания переходной характеристики t_пхканала Y. Влияние этого фактора следует исключить путем введения соответствующей поправки с использованием формул:

(4.4)

2.2. Измерение напряжения синусоидального сигнала.

2.2.1. Измерить среднеквадратическое значение напряжения синусоидального сигнала генератора низкой частоты методом сравнения с напряжением сигнала калибратора осциллографа.

Подать на вход Y осциллографа синусоидальный сигнал произвольно выбранной частоты с генератора Г3-109; установить регулировкой переключателя входного аттенюатора Вольт/дел и ручкой Усиление размах осциллограммы по вертикали Н_сигн около половины высоты экрана, записать установленное значение коэффициента отклонения К_{отк сигн}, В/дел, размах осциллограммы сигнала на экране Н_сигн , дел.

Размах сигнала: U_разм=Н_сигн·К_{откл сигн}·К_ус (В), (4.5)

К_ус - коэффициент усиления усилителя канала Y, значение которого неизвестно.

Параметр К_ус находится следующим образом. Отсоединить генератор Г3-109 и на освободившийся вход Y подать сигнал с выхода калибратора осциллографа. Не трогая регулятор Усиление, переключателем входного аттенюатора Коэффициент отклонения установить размах осциллограммы по вертикали Н_кал, дел. Тогда U_кал=Н_кал·К_{откл кал}·К_ус , (В).

Поскольку значение размаха сигнала калибратора известно достаточно точно (в описании осциллографа указано, что U_кал = (0,60 ± 0,01) В), можно исключить неизвестное значение К_ус. из выражения (4.5) и определить значение измеряемого размаха синусоидального сигнала через параметры сигнала калибратора.

Среднеквадратическое значение напряжения синусоидального сигнала в меньше его размаха:

(4.6)

Указание. Следует обратить внимание, что погрешность отношения значений коэффициента отклонения при различных положениях переключателя входного аттенюатора канала Y заметно меньше, чем погрешность абсолютных значений К_откл , которая обусловлена, в основном, изменением коэффициента усиления канала К_ус. Поэтому измерения напряжения методом сравнения (с использованием калибратора) точнее, чем измерения методом непосредственной оценки (п. 2.1) с использованием значения коэффициента отклонения К_откл .

2.3. Измерение частоты синусоидального сигнала.

2.3.1. Измерить частоту синусоидального сигнала в режиме линейной развертки путем измерения периода при известном значении коэффициента развертки К_x . Установить в генераторе Г4-158 режим внутренней амплитудной модуляции. Подать сигнал неизвестной частоты с гнезда Внешняя модуляция генератора Г4-158 на вход Y осциллографа; установить переключатель развертки Время/дел в такое положение, при котором на экране видны 5 - 8 периодов сигнала.

Измерить отрезок l, дел, в котором укладывается целое число n периодов сигнала, и вычислить его частоту . Оценить погрешность таких измерений и записать полученный результат измерения частоты с учетом этой погрешности.

2.3.2. Измерить частоту того же сигнала f_c методом сравнения с частотой эталонного сигнала f_эт с выхода генератора низкой частоты Г3-109 способом синусоидальной развертки.

Подать на вход Y осциллографа сигнал измеряемой частоты f_с, а на вход X – сигнал эталонной частоты f_эт. Установить в канале Х режим внешней (в данном случае - синусоидальной) развертки.

Указание. Обратить внимание, что в таком режиме генератор развертки осциллографа отключен от отклоняющих пластин Х электронно-лучевой трубки.

Изменять эталонную частоту f_эт до тех пор, пока осциллограмма не примет вид медленно вращающегося эллипса; добиться его остановки. При неподвижной осциллограмме можно полагать, что f_с = f_эт. Зарисовать полученную фигуру и записать значение f_с.

Повторить измерения при подаче на вход X сигнала с частотой f_эт в целое число раз (2, 3, 4) выше и ниже измеренной; добиться неподвижности осциллограммы, зарисовать эту осциллограмму (фигуру Лиссажу) и определить кратность частот. Оценить погрешность измерения частоты таким методом сравнения и записать результат с оценкой погрешности.

Указание. Погрешность измерения частоты способом синусоидальной развертки (по фигурам Лиссажу) практически не зависит от характеристик осциллографа и определяется двумя факторами:

· погрешностью эталонной частоты, т.е. погрешностью установки частоты генератора Г3-109,

· скоростью изменения полученной фигуры Лиссажу. Если удается добиться, чтобы период изменения фигуры был более 1 с, то погрешность сравнения частот не будет превышать 1 Гц.

2.3.3. Измерить частоту того же сигнала методом сравнения с сигналом образцовой частоты при круговой развертке (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема измерения частоты способом круговой развертки

Подать с выхода генератора Г3-109 сигнал эталонной частоты f_эт = 1 кГц на вход фазовращателя и вход X осциллографа; соединить выход фазовращателя со входом Y осциллографа. Убедиться, что в осциллографе установлен режим внешней развертки. Регулируя напряжение на выходе генератора, коэффициенты усиления каналов Х и Y и фазовый сдвиг в фазовращателе, получить на экране осциллограмму в виде окружности.

Указание. Коэффициент усиления канала Х можно увеличить в 5 раз, переключив тумблер Множитель развертки в положение´0,2.

Подать сигнал измеряемой частоты f_с на вход Z осциллографа; подстроить эталонную частоту до получения на окружности нескольких неподвижных яркостных меток.

Вычислить измеряемую частоту по формуле f_с = n·f_об, где n - число меток. Повторить измерение частоты при нескольких значениях n = 2, 3, 4. Зарисовать полученные при этих измерениях осциллограммы. Оценить погрешность таких измерений частоты и записать результат с оценкой погрешности.

Указание.Линия развертки в виде окружности получается на экране осциллографа вследствие быстрого вращения луча по экрану. Частота вращения луча равна эталонной частоте. Сигнал измеряемой частоты, поданный в канал Z,модулирует яркость осциллограммы. Положительный и отрицательный полупериоды сигнала вызывают, соответственно, увеличение и уменьшение яркости. Если измеряемая частота равна эталонной, то половина окружности будет светлой, а половина темной. При кратности частот n = f_с /f_об(n - целое число)на окружности появляются неподвижные яркостные метки, число которых равно n. В случае некратности или нестабильности частот метки будут перемещаться по осциллограмме (вращаться). Погрешность измерения будет определяться теми же факторами, что и при использовании способа фигур Лиссажу. Однако метод круговой развертки обеспечивает возможность измерения частоты при большей кратности частот, что снижает требования к диапазону частот эталонного генератора.

2.4. Измерение разности фаз синусоидальных сигналов (фазового сдвига, вносимого четырехполюсником) способом синусоидальной развертки.

2.4.1. Заменить фазовращатель (рис. 4.3) на исследуемый четырехполюсник. Отключить сигнал от входа Z. Установить частоту сигнала генератора Г3-109 в диапазоне 1 - 2 кГц, что находится в пределах полосы пропускания данного четырехполюсника.

2.4.2. Регулируя напряжение на выходе генератора, коэффициенты усиления каналов Х и Y получить на экране осциллограмму в виде эллипса, размеры которого находятся в пределах 2/3 размеров экрана, а оси ориентированы по диагоналям экрана (рис.4.4).

2.4.3. Измерить длину отрезков 2А,2Х₀, и 2Б, 2Y₀в делениях шкалы осциллографа. Вычислить значение фазового сдвига, вносимого четырехполюсником:

; . (4.7)

2.4.4. Сравнить полученные значения. Они могут различаться вследствие погрешности измерения указанных отрезков. Оценить эту погрешность и погрешность измерения фазового сдвига. Записать результат измерения jвместе с оценкой погрешности, используя правила представления результатов измерений.

Указание. Перед проведением измерений необходимо убедиться, что разность фазовых сдвигов, вносимых каналами X и Y осциллографа, достаточно мала. Для этого надо подать на оба входа осциллографа один и тот же сигнал. Что за осциллограмма при этом получится на экране? Каким образом по этой осциллограмме можно оценить разность фазовых сдвигов каналов? Как учесть влияние этой инструментальной погрешности на результаты измерения фазового сдвига?

Отчет должен содержать:

1) номер и наименование лабораторной работы;

2) цель работы;

3) заполненные табл. 4.1 и 4.2 с их заголовками;

4) график АЧХ канала Y с указанием полосы пропускания на уровне минус 3дБ;

5) схемы измерений с соответствующими подписями;

6) рис. 4.2 и результаты измерений всех параметров прямоугольного импульса по п. 2.1;

7) результаты измерений всех параметров синусоидального сигнала с оценками погрешностей и осциллограммы, полученные при выполнении пп.2.2-2.4.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО (ЦИФРОВОГО) ЧАСТОТОМЕРА

Цель работы

Изучить метрологические характеристики, принципы работы, структурную схему, источники погрешностей электронно-счетного частотомера, способы нормирования суммарной погрешности.

Научиться оценивать абсолютные и относительные погрешности результатов измерения частоты и периода, обусловленные погрешностями частотомера.

Получить практические навыки работы с частотомером.

Используемые приборы

Основной: электронно-счетный частотомер (ЭСЧ) Ч3-33.

Вспомогательный: генератор измерительных сигналов низкочастотный Г3-109.

Лабораторное задание

1. Ознакомиться с метрологическими характеристиками исследуемого электронно-счетного частотомера.

2. Рассчитать в процессе подготовки к работе пределы ожидаемой абсолютной погрешности измерения заданного значения частоты.

3. Проверить работу частотомера в режиме самоконтроля.

4. Исследовать зависимость показаний и погрешности частотомера от времени измерения в режиме измерения частоты.

5. Исследовать зависимость показаний и погрешности частотомера от частоты исследуемого сигнала в режиме измерения периода.

6. Исследовать возможность уменьшения погрешности частотомера при использовании режима умножения периода.

Подготовка к работе(домашнее задание)

Изучить по литературе [1, 2, 5, 6] и конспекту лекций теоретический материал, относящийся к данной работе.

Изучить описание данной работы и заготовить в рабочей тетради формы всех таблиц в соответствии с указаниями к содержанию отчета.

Оценить расчетным путем в соответствии с требованиями п. 3.1 пределы ожидаемой абсолютной суммарной погрешности цифрового частотомера при измерении одного из значений частоты в диапазоне частот (100 - 200) кГц. Значение частоты принять равным f_x = 1ХХкГц, где ХХ последние две цифры номера студенческого билета (зачетной книжки).Результаты расчета пределов суммарной погрешности и ее составляющих записать в табл. 5.3.

Для самопроверки готовности к выполнению работы сформулировать ответы на следующие вопросы, которые могут быть заданы при допуске к работе и при ее защите:

1. Нарисовать структурные схемы ЭСЧ в режиме измерения частоты и в режиме измерения периода, временные диаграммы сигналов на входе частотомера, первом и втором входах временного селектора и на его выходе.

2. Нарисовать структурную схему ЭСЧ в режиме самоконтроля. Что можно проверить в таком режиме?

3. Написать формулы, по которым оценивают пределы абсолютных и относительных погрешностей измерения частоты и периода с использованием ЭСЧ. Назвать составляющие суммарной погрешности и объяснить их происхождение.

4. Из каких соображений следует выбирать режим работы цифрового частотомера - измерения частоты или измерения периода?

5. Каким образом в частотомере формируется импульс, определяющий время измерения в режиме измерения частоты?

6. Поясните различие между понятиями «время измерения» и «время индикации».

7. Из каких соображений следует выбирать время измерения в режиме измерения частоты?

8. Каким образом в частотомере формируются метки времени?

9. Из каких соображений следует выбирать период (частоту) меток времени в режиме измерения периода?

10. Зачем в частотомере обеспечена возможность выбора периода меток времени? Почему нельзя оставить только одно значение периода меток - самое малое?

11. Как оценить быстродействие частотомера в различных режимах его работы?

12. Каким образом с помощью частотомера можно измерить отношение частот двух сигналов?