Длаба. Лаб_работа_4_6. Исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Лабораторная работа 4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ Цель работы исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы. ЗаданиеОзнакомиться с органами управления осциллографа и аппаратурой, применяемой для его исследования. Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки. Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и X. Определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала вертикального отклонения. Измерить амплитудные и временные параметры сигналов по указанию преподавателя. Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования осциллографа и его метрологические характеристики, указанные в описании. Описание и порядок выполнения работыВключить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции. При включении осциллографа на его экране должно появиться изображение луча или двух лучей в зависимости от режима его работы (включен один канал или два); при «заземленных» входах осциллографа (переключатель AC-DC-GND находится в положении GND) на экране должны наблюдаться одна или две горизонтальные линии соответственно. При отсутствии изображения необходимо установить ручки управления яркостью (INTER) и фокусом (FOCUS) в среднее положение и убедиться, что включен автоколебательный режим работы генератора развертки (переключатель MODE находится в положении AUTO). Затем регулировкой смещения лучей по вертикали (POSITION ↕) и горизонтали (POSITION ) добиться появления их на экране. После этого сфокусировать изображение и установить необходимую для наблюдения яркость. Для начальной установки лучей при «заземленных» входах (переключатель AC-DC-GND в положении GND) совместить (POSITION ↕) изображение каждого луча со средней линией сетки на экране и установить (POSITION ) начало развертки луча у левого края экрана, отступив на 0,5…1 деления сетки от края. С  хема испытания осциллографа приведена на рис. 4.1, где ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф, ГС – генератор сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, V– электронный вольтметр; используемые средства соединены в соответствии со схемой коаксиальными кабелями. Основные погрешности коэффициентов kо отклонений и коэффициентов kр развёртки определяются путем сравнения номинальных значений коэффициентов, устанавливаемых на осциллографе (переключателями VOLTS/DIV и TIME/DIV), с их действительными значениями, найденными экспериментально. Погрешности коэффициентов отклонения определяют при 1-2 его номинальных значениях1, например при kо = (0,5; 1) В/дел. Для этого на вход 1 канала вертикального отклонения с ГС подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и устанавливают такое его напряжение, при котором размер L2A изображения двойной амплитуды синусоиды составлял бы 6 (больших) делений сетки (для осциллографа GOS-620). Напряжение, необходимое для получения такого изображения, измеряют электронным вольтметром. Коэффициент kрразвёртки в этом эксперименте может быть любым, при котором удобно наблюдать синусоидальный сигнал и измерять его амплитуду. Действительный коэффициент  отклонений (В/дел; мВ/дел; мкВ/дел) определяется выражением: = U2А/L2А,где U2А – напряжение, равное двойной амплитуде, рассчитываемое на основании показаний вольтметра (электронный вольтметр измеряет действующее значение синусоидального напряжения); L2А – размер изображения двойной амплитуды сигнала. Относительная погрешность коэффициента отклонения (в процентах)  ,где kо – установленный номинальный коэффициент отклонения. Оценка погрешностей коэффициентов kр развертки проводится также для 1-2 его номинальных значений. При этом коэффициент kо отклонений устанавливается удобным для наблюдений сигналов на экране. Для определения действительного значения коэффициента развертки на вход осциллографа подается сигнал прямоугольной (или синусоидальной) формы с известным периодом Т. При установленном коэффициенте развертки kр изменением частоты f генератора сигналов ГС добиваются изображения n = = (1…3) целых периодов входного сигнала. На экране осциллографа определяют размер LnT изображения n целых периодов, выраженный в больших делениях шкалы. Действительный коэффициент развертки (с/дел; мс/дел; мкс/дел) определяется выражением:  ,где fи Т – частота и период входного сигнала, при котором на экране осциллографа наблюдались n его целых периодов. Относительная погрешность коэффициента развертки (в процентах)  ,где kр – установленный номинальный коэффициент развертки. О  пределение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры изображения сигналов на экране осциллографа, характеризуются максимальной нелинейностью амплитудной характеристики канала и максимальной нелинейностью развертки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q= 0,5. Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал не менее 6 делений, а также частоту генератора, при которой по оси Х полностью разместились бы 5 полупериодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить изменением частоты генератора сигналов или регулятором плавного изменения коэффициента развертки осциллографа). Вариант наблюдаемой осциллограммы представлен рис. 4.2.Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения (в процентах) оценивают отношением  ,где max{|LY1 – LY |, |LY2 – LY |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображения амплитуды сигнала по вертикали, в делениях, LY – размер амплитуды в центре экрана. Нелинейность развёртки (в процентах) определяют отношением  ,где max {|LX1 – LХ |, LХ2 – LХ |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображений полупериодов сигнала, LХ – размер изображения полупериода в центре экрана. Определение амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения.АЧХ канала вертикального отклонения определяют как зависимость размера LYизображения по оси Yамплитуды синусоидального сигнала на экране ЭЛТ от его частоты при неизменном напряжении сигнала на входе канала. Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот f, для которого неравномерность АЧХ не превосходит некоторой заранее установленной величины. Например, часто используется величина допустимого спада АЧХ при изменении частоты, равная 3 дБ, что соответствует уменьшению размера изображения сигнала до 0,707 от его значения на некоторой номинальной частоте, определенной для каждого типа осциллографа. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанным требованиям, являются верхней fв и нижней fн граничными частотами рабочей полосы пропускания канала осциллографа. Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 4.1. В качестве источника сигналов используется генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне. В этом эксперименте электронный вольтметр не является образцовым прибором, поскольку частотный диапазон его уже частотного диапазона осциллографа. Сначала регулировкой выходного напряжения ГС устанавливают размер L2А = 6 делений изображения по вертикали двойной амплитуды сигнала на частоте f0 = 1 кГц для осциллографа GOS-620. В дальнейшем при определении АЧХ выходное напряжение генератора не изменяют. АЧХ удобно определять отдельно для областей верхних и нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 2 МГц: 1 кГц (начальная точка АЧХ), 2 МГц, 4 МГц, … до частоты, при которой амплитуда изображения сигнала упадет до величины порядка 0,5…0,7 от первоначально установленной при f0 = 1 кГц. Для уточнения верхней частоты f в рабочей полосы частот f осциллографа необходимо в районе предположительного спада АЧХ до 0,707 (3 дБ) дополнительно снять АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала1. Результаты испытаний записать в таблицу, где L2А( f) – размер изображения сигнала на частоте f, K(f) – АЧХ, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f, K( f) = L2А( f) /L( f0 = 1 кГц), kо – коэффициент отклонений, при котором проводился эксперимент, fв – верхняя граничная частота рабочей полосы пропускания канала, найденная в эксперименте.
В области нижних частот АЧХ определяют отдельно для закрытого (AC) и открытого (DC) входов канала вертикального отклонения. Поскольку нижняя частота fн рабочей полосы частот f для закрытого входа у осциллографов обычно находится в области единиц и первых десятков Гц, процедура определения АЧХ для закрытого входа может быть следующей: сначала уменьшают частоту от f0 = 1000 Гц через 200 Гц, а затем от 50 Гц – через 10 Гц. Если необходимо, можно уточнить нижнюю частоту fн рабочей полосы, при которой АЧХ падает до 0,707, снятием дополнительных точек с шагом 1 Гц. Определение АЧХ для открытого входа проводится при тех же частотах. Результаты испытаний представляют в таблице.
По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот. Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Объекты измерений задаются преподавателем. Измеряемые сигналы подаются с помощью коаксиального кабеля на второй вход (CH2) осциллографа и устанавливается необходимый режим работы для визуального наблюдения сигналов (переключатель MODE находится в положении CH2; регуляторы POSITION «↕ , » в положениях, обеспечивающих наблюдение луча по второму каналу; режим синхронизации: AUTO или NORM; CH2, LEVEL в положении, обеспечивающем устойчивую синхронизацию). Для измерения параметров сигналов коэффициенты развертки и отклонения канала вертикального отклонения устанавливают такими, чтобы на экране ЭЛТ появилось изображение одного-двух периодов исследуемого сигнала с достаточно большой для измерения амплитудой. Амплитуду сигнала (в вольтах) определяют из соотношения U = kо LА , где kо. коэффициент отклонения, В/дел.; LА размер амплитуды, в делениях, Относительная погрешность А измерения амплитуды А =  + н а + в а,  где относительная погрешность коэффициента отклонения, н а относительная погрешность нелинейности вертикального отклонения, в а относительная визуальная погрешность. Погрешности и н а выбираются из полученных при исследовании или, если они не определялись, из технических характеристик осциллографа.Визуальную погрешность (в процентах) находят из соотношения ва = 100(b/ LА), где LА размер изображения амплитуды, в делениях, b абсолютная погрешность оценки LА, зависящая от толщины линии изображения сигнала на экране (фокусировки) и от субъективной погрешности отсчитывания LА, часто b принимают равной толщине линии изображения сигнала на экране луча, в делениях. Длительность временных параметров (периода, длительности импульса и т. п.) сигнала вычисляют по формуле tТ =kрLT, где kр коэффициент развертки, С/дел.; LT размер измеряемого параметра, в делениях, на изображении сигнала по оси X. Относительная погрешность t измерения временных параметров t =  + н р + в д,где погрешность коэффициента развертки, н р погрешность нелинейности развертки, в д визуальная погрешность измерения длительности.Погрешность в д (в процентах) можно найти из формулы в д = 100(b / LТ), где LT размера измеряемого параметра по горизонтали, b абсолютная погрешность оценки LТ (см. оценку в а ранее). Лабораторная работа 5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРЯМЫХ И КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Цель работы – ознакомление с методами обработки результатов прямых и косвенных измерений при однократных и многократных измерениях. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||