Методы измерения параметров исследуемых сигналов
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра «Автоматизация производственных процессов»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
по курсу «Технические измерения и приборы»
Измерение параметров импульсных и непрерывных электрических сигналов электронным осциллографом
Методические указания
Волгоград
2012
УДК 681.5.011
Измерение параметров импульсных и непрерывных электрических сигналов электронным осциллографом: метод. указания к лабораторной работе № 3 по дисциплине «Технические измерения и приборы» / сост. С.Г. Поступаева, Е.В. Стегачев / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. – 14 с.
Излагаются принцип действия электронного осциллографа, методы измерения основных параметров электрических непрерывных и импульсных сигналов электронным осциллографом, приводится описание лабораторной установки.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220301 и направлению 220200.
Ил. 10. Табл. 3. Библиогр.: 4 назв.
Рецензент
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2012
|
|
|
© С. Г. Поступаева,
Е. В. Стегачев,
2012
Цель работы
1.1. Изучение принципа действия электронного осциллографа и знакомство с методами измерения основных параметров электрических сигналов электронным осциллографом.
1.2. Измерение параметров непрерывных электрических сигналов.
1.3. Измерение параметров импульсных сигналов непосредственно в электронной схеме.
1.4. Измерение фазового сдвига.
Основные положения
2.1. Электронный осциллограф (ЭО) является универсальным измерительным прибором, предназначенным для визуального наблюдения электрических сигналов в широком диапазоне частот, а также измерения их параметров.
Типовая структурная схема электронного осциллографа состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением лучом, канала вертикального отклонения луча (У), канала горизонтального отклонения луча (Х), канала управления яркостью луча (Z), калибраторов амплитуды и длительности, блока питания (рисунок 1).
Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране ЭЛТ исследуемое напряжение подводится к вертикально отклоняющим пластинам, в то время как к горизонтально отклоняющим пластинам подведено пилообразное напряжение развертки, которое перемещает луч по горизонтали с постоянной скоростью слева направо и быстро возвращает его обратно.
|
|
|
Канал вертикального отклонения луча (ВО) состоит из усилителя и входного устройства. Входное устройство включает в себя аттенюатор, представляющий собой частотно-компенсированный делитель напряжения и обеспечивающий независимость коэффициента деления от частоты. Вход канала ВО может быть открытым и закрытым. При открытом входе возможно прохождение как переменного так и постоянного напряжения, при закрытом – только переменного.
Усилитель ВО должен обладать большим входным сопротивлением и малой входной емкостью, что необходимо для минимального влияния осциллографа на исследуемую электрическую цепь; высоким и регулируемым коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания. В канале ВО устанавливается линия задержки на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения.
Канал горизонтального отклонения луча (ГО) предназначен для создания развертывающего напряжения, синхронного с исследуемым сигналом. Он содержит генератор развёртки, формирующий пилообразное линейное напряжение для временной развертки луча ЭЛТ. Устойчивость изображения на экране достигается синхронизацией частоты развертки с частотой исследуемого сигнала.
|
|
|
Рисунок 1
Запуск схемы синхронизации может быть как от внутреннего, так и внешнего сигнала. При работе осциллографа в режиме внутренней синхронизации из канала вертикального отклонения снимается часть исследуемого сигнала и подаётся на вход схемы синхронизации. При работе в режиме внешней синхронизации запуск генератора развёртки осуществляется внешним сигналом, поданным на вход схемы синхронизации.
Генератор развертки может работать в режимах автоколебательной периодической и ждущей развёртки. В первом случае схема синхронизации переводит генератор в режим непрерывных колебаний, при отсутствии импульсов синхронизации, во втором – генератор запускается только при наличии синхронизирующего сигнала.
В осциллографах предусматривается возможность подачи внешнего сигнала непосредственно на усилитель ГО, при этом усилитель отключается от схемы генератора развёртки и подключается к входу Х.
В ряде осциллографов имеется вход Z для получения яркостных меток. Изменение яркости пятна внешним модулирующим сигналом позволяет вносить дополнительную информацию в осциллограмму, что находит применение при измерении частоты или фазы электрических колебаний.
|
|
|
В осциллографах применяются так называемые схемы гашения обратного хода луча, которые обеспечивают включение луча только в течение рабочей части периода линейно изменяющегося напряжения.
В состав электронного осциллографа входят специальные измерительные устройства – калибраторы амплитуды и длительности, предназначенные соответственно для проверки масштаба вертикальной (в единицах напряжения) и горизонтальной (в единицах времени) осей экрана осциллографа. Иногда калибраторы амплитуды и времени совмещены в одном калибраторе, который генерирует прямоугольные импульсы определённой амплитуды и частоты.
Методы измерения параметров исследуемых сигналов
2.2.1. Измерение амплитудных параметров сигнала.
Метод непосредственного отсчета по калиброванной шкале основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно на шкале экрана ЭЛТ.
Величина измеряемой амплитуды сигнала
где h – размер изображения по вертикали в делениях;
Сy – значение коэффициента отклонения по вертикали при максимальном усилении (ручка усилия находится в крайнем правом положении);
My – значение множителя.
При измерении амплитуды методом сравнения величина изображения исследуемого сигнала на экране осциллографа сравнивается с величиной изображения калибровочного напряжения. При этом коэффициент усилия усилителя ВО в процессе измерения должен оставаться неизменным, а коэффициент деления ступенчатого делителя можно изменять, но это необходимо учитывать при определении результата (рисунок 2).
где hи – величина изображения исследуемого сигнала;
h к – величина изображения калибровочного сигнала;
Uк – отсчитанная по шкале величина калибровочного сигнала в вольтах;
Kд – коэффициент деления входного делителя, при котором устанавливается изображение исследуемого сигнала.
Измерение амплитуд методом сравнения более трудоемко по сравнению с методом измерения по калиброванной шкале, но обеспечивает большую точность.
2.2.2. Измерение временных интервалов
При использовании метода калиброванной шкалы измеряемый временной интервал
где l – длина измеряемого интервала времени на экране в делениях шкалы;
Др – длительность развертки;
Мх – множитель развертки;
В отдельных типах осциллографов для измерения временных интервалов применяется метод сравнения. В таких приборах в качестве калибратора длительности применяются генератор колебаний стабильной частоты, синхронным с началом ждущей развертки. Напряжение генератора подаётся на управляющий электрод ЭЛТ и модулирует яркость луча. В результате на экране появляются светлые метки с тёмными промежутками между ними. Расстояние между метками соответствует периоду калибрационного напряжения. Зная общее количество меток на экране, можно легко определить длительность сигнала (рисунок 3).
Рисунок 2 Рисунок 3
2.2.3. Измерение частоты
При наличие в осциллографе калиброванной развертки частоту исследуемого сигнала можно определить, измерив его период Т. исследуемый сигнал подают на вход Y осциллографа, получают на экране несколько периодов колебаний. Измеряемая частота равна
где n – количество периодов;
l – расстояние в делениях шкалы, занимаемое измеряемым участком;
Др – длительность развертки;
Мх – множитель развертки;
Точность измерения увеличивается, если измерение частоты осуществляется методом сравнения измеряемой частоты 
с образцовой 
по фигурам Лиссажу. Сигналы измеряемой и образцовой частот подают соответственно на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины осциллографа и измерения выполняют при выключенном генераторе развёртки. Частоту 
образцового генератора изменяют до получения на экране устойчивого изображения какой-нибудь фигуры Лиссажу. В этом случае
;
где 
, 
– число точек касания вертикальной и горизонтальной прямых, касательных к фигуре Лиссажу (рисунок 4).
Рисунок 4 Рисунок 5
При измерении частоты сигнала в режиме круговой развёртки одно из напряжений с более низкой (образцовой ) частотой через фазосдвигающую цепь подаётся на входы X и Y , как показано на рисунке 5. Напряжение более высокой частоты (измеряемой 
) подводится к модулирующему яркость электроду (канал Z). В положительный полупериод этого напряжения яркость развертки будет увеличиваться, а в отрицательный – уменьшаться. В результате окружность на экране получится прерывистой и число «n» светлых (или тёмных) штрихов будет равно отношению частот, т.е.
2.2.4 Измерение сдвига по фазе
При измерении сдвига по фазе в режиме линейной развёртки два синусоидальных напряжения одинаковой частоты: 
, 
, между которыми измеряется фазовый сдвиг, подают на входы вертикальных каналов двухлучевого осциллографа. При измерении с помощью однолучевого осциллографа напряжения 
и 
подают на вход вертикального канала через электронный коммутатор.
По измеренным в масштабе отрезкам «ab» и «ac» (рисунок 6), соответствующим временному сдвигу ∆Т и периоду Т, определяется сдвиг по фазе
.
При измерении сдвига по фазе между напряжениями по фигуре Лиссажу одно из напряжений подаётся на вход вертикального, а другое – на вход горизонтального каналов. При этом на экране наблюдают фигуру Лиссажу в виде эллипса (генератор развертки выключен). Центр эллипса совмещают с началом координат и находят точки пересечения эллипса с осью абсцисс (ординат) и максимальную абсциссу (ординату) (рисунок 7). Сдвиг по фазе равен:
; 
; 
;
Рисунок 6 Рисунок 7
По фигуре эллипса можно измерить значение сдвига по фазе без определения знака угла сдвига. Неопределенность знака можно устранить, если напряжение 
одновременно подать на вход Х и на модулятор ЭЛТ со сдвигом по фазе на 
, за счет чего увеличивается яркость части эллипса при положительной полуволне поданного напряжения. Так как при положительном сдвиге по фазе электронный луч движется по часовой стрелке, а при отрицательном – против часовой стрелке, то при положительных значениях 
ярче светится верхняя часть эллипса, а при отрицательных – нижняя.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 33; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!