ЛР1 Применение осциллографа. осень 2021. Лабораторная работа 1 применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов сидоров Ю. К. Отчалко В. Ф
 Скачать 164.75 Kb.
|
|
Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР) Кафедра компьютерных систем управления и проектирования (КСУП) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Сидоров Ю.К. Отчалко В.Ф. Томск 2021 г. Лабораторная работа № 1. Применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов. 1.Цель работы Целью работы является изучение устройства универсального осциллографа и методов измерения параметров электрических сигналов. 2.Домашнее задание 2.1. Изучить принцип действия, функциональную схему и назначение узлов универсального электронного осциллографа. 2.2. Ознакомиться с правилами использования осциллографа в режиме непрерывной, ждущей развертки а также в режиме использования канала Х для подачи внешних сигналов. 2.3. Изучить правила калибровки каналов вертикального и горизонтального отклонения с помощью тестового сигнала. 2.4. Ознакомиться с методикой измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов. 2.5. Ознакомиться с правилами определения погрешностей измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов с применением осциллографа и представления результатов по правилам метрологии с учетом округления. 3.Основные положения . 3.1 Электронный осциллограф является одним из наиболее универсальных измерительных приборов, предназначенных для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Исследуемый сигнал отображается на экране электронно-лучевой трубки в виде светящихся линий или фигур, называемых осциллограммами. Осциллограмма представляет собой функциональную зависимость двух или трех величин y=F(x) или y=F(x,z) , каждая из которых является, в свою очередь, функцией времени: y(t), x(t), z(t). 3.2. Упрощенная структурная схема осциллографа (рис 3.1) состоит из двух каналов формирования сигналов по координатам X и Y и канала Z, предназначенного для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки.  Рис. 3.1 Канал вертикального отклонения, предназначенный для передачи исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ, состоит из последовательно соединенных аттенюатора (ослабителя) АТТ и усилителя Y. Такое соединение необходимо для расширения динамического диапазона исследуемых сигналов. Таким образом, отклонение луча lY на экране будет пропорционально напряжению подаваемого на вход Y сигнала и будет характеризоваться коэффициентом отклонения Kоткл, используя который можно определить амплитуду (размах) входного сигнала Uy= KотклlY(3.1) Коэффициент отклонения имеет фиксированные значения и размерность Вольт/дел., и указан на положениях переключателя входного аттенюатора. Эти фиксированные значения справедливы только при максимальном, плавно регулируемом усилении усилителя. Канал горизонтального отклонения выполняет две функции: развертывание сигнала пропорционально времени и отклонение луча любым сигналом, поданным на вход X . В первом случае на горизонтальные пластины подается сигнал от генератора пилообразного напряжения ГПН (рис 3.1) при положении 1 переключателя П2. В этом случае луч по оси X передвигается прямо пропорционально времени, позволяя наблюдать на экране сигнал y(t). Временной масштаб развертки характеризуется крутизной наклона пилообразного напряжения и регулируется переключателем длительности развертки с указанием численного значения Kразв , имеющего размерность время/дел., с помощью которого можно определить отрезок времени по формуле КразвlX (3.2) Важным условием неподвижного изображения наблюдаемого на осциллографе сигнала является синхронизация частоты развертывающего напряжения и частоты исследуемого сигнала. При внутренней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 1) входной сигнал поступает на ГПН, осуществляя синхронность развертки. При внешней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 2) синхронизирующий сигнал должен быть подан извне на гнездо «ВНЕШН. СИНХР.» При этом ручкой на осциллографе «УРОВЕНЬ СИНХРОНИЗАЦИИ» следует отрегулировать неподвижность изображения на экране. Особое место в работе осциллографа представляет режим внешнего запуска, используемого, как правило, для наблюдения импульсных процессов по длительности много меньших их периода повторения. В этом режиме запуск развертки осуществляется подачей на вход «ВНЕШН.» синхроимпульса, предшествующего наблюдаемому сигналу на некоторый промежуток времени, устанавливаемый обычно в стандартных импульсных генераторах как «ЗАДЕРЖКА». Длительность развертывающего сигнала ГПН устанавливается сравнимой с длительностью наблюдаемого импульсного процесса, что позволяет проводить наблюдение и измерение параметров короткого импульсного процесса, каким является, в частности, фронт импульса. В случае использования канала Х для подачи любого сигнала переключатель П2 устанавливается в положение 2. В разных осциллографах эта операция производится по-разному, что всегда отражено в технических описаниях осциллографа. При этом внешний сигнал подается на ВХОД Х. Канал Z используется для модуляции яркости свечения луча, применяемой для подсвета прямого хода развертки, создания меток времени, электронной лупы и т.д. и т.п. На «ВХОД Z» для управления яркостью луча можно подать внешний сигнал, но при этом частота подаваемого сигнала должна быть когерентна частоте исследуемого сигнала, а значит и частоте развертки. 3.3 Параметры электрического сигнала, поданного на вход осциллографа, определяются по его осциллограмме путем измерения ее геометрических размеров l и с учетом коэффициента отклонения Коткл и коэффициента развертки Кразв. Очевидно, и погрешность измерения параметров будет определяться не только точностью измерения геометрического размера (отклонения луча), но и точностью воспроизведения сигнала на экране осциллографа. Точность воспроизведения амплитудных параметров зависит от неравномерности амплитудно-частотной характеристики, погрешности коэффициента передачи аттенюатора, и численно выражена в погрешности Коткл, отраженной в технических характеристиках осциллографа. При этом частота исследуемого сигнала должна находиться в пределах полосы пропускания усилителя вертикального отклонения. Точность воспроизведения временных параметров зависит от точности градуировки переключателя коэффициента развертки Кразв и от линейности пилообразного напряжения. Погрешность Кразв также отражена в технических характеристиках осциллографа. При использовании канала Х для подачи внешнего сигнала необходимым является условие, чтобы частота подаваемого сигнала была ниже верхней граничной частоты усилителя Х. 3.4 При исследовании импульсных сигналов определяющим является время нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения tн, являющегося откликом осциллографа на включение идеального скачка напряжения на входе Y. Время нарастания tн – это временной интервал, в течение которого луч переходит от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения импульсного отклика. Время нарастания tн и полоса пропускания fв связаны соотношением  . ( 3.3 )Очевидно, при подаче на вход осциллографа реального скачка напряжения ,имеющего фронт ф ,на экране будет наблюдаться скачок напряжения с фронтом еще большей длительности ф изм ,который связан с фронтом импульса и временем нарастания соотношением  (3.4) Таким образом, измерив по осциллографу фронт импульса ф изм и определив полосу пропускания fв, можно определить действительную длительность фронта измеряемого импульса   . (3.5)3.5 В случае использовании канала Х для подачи внешнего сигнала осциллограф не является прибором измерения амплитудных и временных параметров, а представляет собой прибор сравнения сигналов, поданных на горизонтальный и вертикальный входы осциллографа. Примером может служить наблюдение интерференционных картин (в частности фигур Лиссажу) с помощью осциллографа для точного сравнения и определения соотношения частот подаваемых сигналов. 4.Контрольные вопросы. Назовите основные функциональные узлы универсального электронного осциллографа и объясните их предназначение в его работе. 4.2 Что такое синхронизация, и как она осуществляется в электронном осциллографе? 4.3. Что такое внутренняя, внешняя синхронизация и в каких случаях она применяется? 4.4. Что такое ждущий режим развертки, как он осуществляется и для наблюдения каких сигналов он используется? Как осуществляется калибровка коэффициента вертикального отклонения; калибровка коэффициента развертки? Как с помощью осциллографа измерить амплитуду импульса? Как с помощью осциллографа измерить период следования и длительность импульсов? Как оценить точность измерения временных и амплитудных параметров сигналов, наблюдаемых на экране осциллографа? Как определить истинную длительность фронта импульса при измерении его с помощью осциллографа, имеющего ограниченную полосу пропускания канала вертикального отклонения? Объяснить работу двухканального осциллографа. Приборы, используемые в работе. Универсальный осциллограф. Генератор синусоидальных сигналов. Генератор импульсных сигналов. Вольтметр типа В3. Измеритель частоты и временных интервалов типа Ч3-34 (Ч3-38). Соединительные провода и кабели. 6. Лабораторное задание. 6.1. По техническому описанию осциллографа изучить его технические характеристики, расположение и назначение органов управления, проверить калибровку каналов вертикального отклонения и длительности развертки. При необходимости произвести регулировку. 6.2. Определить верхнюю граничную частоту полосы пропускания канала вертикального отклонения. Используя формулу (3.3), вычислить время нарастания переходной характеристики усилителя вертикального отклонения. 6.3. Подать на вход осциллографа импульсную последовательность с генератора импульсов Г5-54, c параметрами, заданными преподавателем (табл. 6.1). Применить внешний запуск развертки импульсом с гнезда “синхроимпульсы” генератора. Манипулируя ручками регулировки масштаба изображения сигнала по вертикали (коэффициент отклонения Ко в В/дел), регулировки масштаба по горизонтали (коэффициент развертки Кр в с/дел) и уровня (level) синхронизации, добиться на экране неподвижного изображения не более двух периодов импульсной последовательности. Табл.6.1
6.4. Измерить следующие параметры импульсной последовательности: а) Амплитуду импульса, используя калиброванные значения коэффициентов отклонения. При этом ручка плавного усиления должна находиться в крайнем правом положении (до щелчка). Оценить точность измерения. Результат измерения представить в виде Uимп =UизмU c учетом правил метрологии. б) Длительность импульса с помощью калиброванной развертки (ручка плавной регулировки развертки должна находиться в крайнем правом положении). Оценить точность измерения. Результат измерения представить в виде τимп =τизмτ c учетом правил метрологии. в) Период повторения импульсов с помощью калиброванной развертки. Оценить точность измерения. Результат измерения представить в виде Тимп =Тизмc учетом правил метрологии. г) Длительность переднего фронта импульса. Определить действительное значение фронта по формуле (3.5), учитывая время нарастания переходной характеристики усилителя вертикального отклонения осциллографа. 6.5. а) Определить частоту повторения импульсов по измерению, проведенному в п. 6.4 в) по формуле  (6.1)где Т- период повторения. Оценить точность измерения. б) Измерить частоту повторения импульсов методом сравнения с частотой генератора синусоидальных сигналов по интерференционным фигурам. Измерение провести 3 раза, задавая различные соотношения частот. За результат измерения взять среднее арифметическое из трех измерений. Оценить точность измерения. в) Измерить частоту повторения импульсов частотомером Ч3-34 (Ч3-38). Оценить точность измерения. Результаты измерений свести в таблицу 6.3, соблюдая правила метрологии. Табл. 6.3.
7. Методические указания к выполнению работы. 7.1. Определение верхней граничной частоты пропускания канала и времени нарастания переходной характеристики. На вход усилителя вертикального отклонения осциллографа (входY) подать синусоидальное напряжение с выхода генератора Г3-112. Одновременно этот сигнал подать на вход вольтметра действующего значения типа В3. Установить при максимальном плавном усилении канала вертикального отклонения размер изображения синусоиды на (0,8-0.9) максимального размера экрана по вертикали, регулируя уровень выходного сигнала генератора на частоте 1 кГц. Затем, увеличивая частоту генератора (при необходимости используя переключатель «множитель частоты»), добиться на экране уменьшения величины изображения сигнала в  раз. При этом следует следить за постоянством выходного напряжения генератора по показаниям вольтметра.Произвести отсчет частоты fв по индикатору частоты генератора. По формуле (3.3) определить время нарастания переходной характеристики усилителя канала. 7.2. Измерение параметров импульсного сигнала. Измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов производится на осциллографе методом калиброванной развертки по формулам (3.1) и (3.2) с учетом положения переключателей масштаба изображения сигнала по вертикальной оси напряжения (Ко в В/дел) на входе канала Y и масштаба изображения сигнала по горизонтальной оси времени (Кр в с/дел, мс/дел , мкс/дел. и т. д.) в канале Х. При этом ручки усиление плавно канала Y и частота развертки плавно канала Х должны находиться в крайнем правом положении (до щелчка). 7.2.1 Измерение амплитуды импульса. Экспериментально при измерении амплитуды импульса следует получить на экране осциллографа изображение сигнала, равное не менее 0,4 размера экрана по вертикали ( только при этом обеспечиваются указанные в технической документации погрешности осциллографа) и, измерив величину напряжения lY в делениях измерительной сетки осциллографа , а также считав с соответствующего переключателя стоящее на нем значение коэффициента отклонения , определить амплитуду импульса по формуле Uимп= lYКоткл(7.6) Далее производится оценка погрешности данного измерения. Поскольку определение амплитуды импульса производится по формуле (7.6), то это измерение относится к косвенным, и определение погрешности производится на основании узаконенных правил. Вычисляя частные погрешности путем нахождения частных производных, и переходя к относительным погрешностям, получим:  (7.7)где Uимп – относительная погрешность измерения амплитуды импульса, lY– относительная визуальная погрешность измерения отклонения луча (размера импульса по вертикали), фактически это погрешность измерения оператором отрезка на экране осциллографа. Коткл – предел допустимой основной погрешности канала вертикального отклонения (см. технические данные осциллографа). В свою очередь визуальная погрешность измерения отрезка по ГОСТ на электронно-лучевые осциллографы составляет: l =  (7.8)где q – толщина луча на экране в мм (порядка 1 мм), l– измеренное отклонение в мм. Следовательно, для уменьшения погрешности (увеличения точности) измерений следует размер изображения получить максимально возможным, а регулировками « ЯРКОСТЬ» и «ФОКУС» получить наиболее тонкий луч на экране. Абсолютное значение погрешности определить по формуле Uимп = UимпUизм (7.9) Далее записать результат измерения амплитуды импульса в соответствии с метрологическими правилами представления результата (соблюдая правила округления погрешности и результата измерения). 7.2.2. Измерение периода повторения импульса. При измерении периода повторения манипулируя переключателем коэффициента развертки и уровнем синхронизации необходимо получить на экране последовательность не более 2-х импульсов. Измерив расстояние lX в делениях между одноименными (характеризуют одинаковое состояние сигнала) точками сигнала и считав с соответствующего переключателя действующее значение коэффициента развертки, определяют период повторения T = lX Кразв (7.10) Так как при измерении временного интервала используется формула (7.10), аналогичная формуле (7.6), то и подсчет погрешности измерения не отличается от вышеизложенного. Относительная погрешность измерения временного интервала определится  (7.11)где lx– относительная визуальная погрешность измерения отрезка отклонения луча (периода повторения) (см. формулу 7.8). Кразв – предел допускаемой основной погрешности коэффициента развертки (см. технические данные осциллографа). Абсолютное значение погрешности измерения периода повторения определится Т = Т Тизм (7.12) Далее записать результат измерения периода импульса в соответствии с метрологическими правилами представления результата (соблюдая правила округления погрешности и результата измерения). 7.2.3 Измерение длительности импульса. При измерении длительности импульса необходимо переключателем коэффициента развертки “растянуть” его по горизонтали до величины не менее 0,4 размера экрана по горизонтали. Измерив на экране размер длительности импульса lX (общепринято измерять длительность импульса на уровне 0,5 его амплитуды) в делениях и, считав действующее значение коэффициента развертки, определить длительность импульса имп= lX·Кразв . (7.13) Так как при измерении длительности импульса (тоже временной интервал, как и период) используется формула (7.13) аналогичная формуле (7.6), то и подсчет погрешности измерения не отличается от вышеизложенного. Относительная погрешность измерения временного интервала определится  (7.14)где lx– относительная визуальная погрешность измерения отрезка отклонения луча по горизонтали (длительности импульса) . (См. формулу 7.8) Кразв – предел допускаемой основной погрешности коэффициента развертки (см. технические данные осциллографа). Абсолютное значение погрешности измерения длительности импульса определится формулой = изм (7.15) Далее записать результат измерения длительности импульса в соответствии с метрологическими правилами представления результата (соблюдая правила округления погрешности и результата измерения). 7.2.4. Измерения длительности переднего фронта импульса. Для измерения длительности переднего фронта импульса обязательным условием является использование внешнего запуска развертки осциллографа синхроимпульсом генератора Г5-54 и введение задержки выходного импульса генератора относительно синхроимпульса. Сначала необходимо установить задержку равную 0 и, манипулируя ручкой «уровень» синхронизации настроить внешний запуск развертки. Примечание: проверкой внешнего запуска является исчезновение развертки на экране при отключении синхроимпульса. Манипулируя ручкой «коэффициент развертки» и ручкой «смещение луча по горизонтали», добиться изображения одного импульса в начале экрана. Затем ввести некоторую задержку на генераторе Г5-54 с тем, чтобы передний фронт наблюдался в первой половине экрана. Увеличивая частоту развертки, а при необходимости используя переключатель «множитель развертки (*10)» и, манипулируя задержкой, получить на экране растянутое изображение фронта импульса. Примечание: при уменьшении яркости свечения изображения следует увеличить частоту повторения импульсов генератора Г5-54, но при этом необходимо уменьшить длительность импульса, соблюдая соотношение: имп  .Произвести отсчет расстояния lX между точками 0,1Uимп и 0,9Uимп , и определить ф изм= Кразв МХ lX(7.16) где МХ - множитель развертки (Мx = 0,1 для данного осциллографа). Действительную длительность фронта импульса определить по формуле (3.5). Определить погрешность измерения длительности фронта импульса = изм аналогично определению погрешности длительности импульса (формулы 7.13, 7.14, 7.15 справедливы при измерении любых интервалов времени). Только необходимо находить погрешность коэффициента развертки уже с учетом погрешности множителя развертки – эта цифра также дается в описании осциллографа. Записать результат измерения действительного значения длительности фронта импульса. 7.2.5. Измерение частоты сигнала методом калиброванной развертки. При определении частоты сигнала экспериментально измеряется его период Т, а само значение частоты сигнала находится по известной формуле (7.17)Измеренное значение периода необходимо взять из пункта 7.2.2. При этом относительная погрешность частоты будет равна относительной погрешности измерения периода F = Т , (7.18) где Т – относительная погрешность измерения длительности периода, определяемая по формуле (7.11). Вывод формулы (7.18) предлагается студентам сделать самостоятельно по правилу определения погрешностей при косвенных измерениях, используя формулы (7.17) и (7.10). Абсолютное значение погрешности измерения частоты определится F = FFизм . Записать результат измерения частоты сигнала в соответствии с метрологическими правилами.. 7.3. Измерение частоты повторения импульсов методом интерференционных фигур. Метод интерференционных фигур (фигур Лиссажу) заключается в сравнении измеряемой частоты неизвестного сигнала с образцовой (высокоточной) частотой известного сигнала. Для измерения частоты повторения импульсных сигналов этим методом необходимо канал горизонтального отклонения (канал Х) использовать в режиме усиления, т.е. вместо пилообразного напряжения на горизонтальные пластины через усилитель Х можно подать внешний образцовый сигнал. В различных осциллографах эта операция производится по-разному, что отражено в технических описаниях осциллографов и в описании к данной лабораторной работе (п. 1.3.2). Для проведения эксперимента на вход канала Y необходимо подать измеряемый импульсный сигнал от генератора Г5-54. На вход Х подать образцовое напряжение с выхода генератора синусоидальных сигналов Г3-112 с частотой, рассчитанной при выполнении п. 1.6.5. Изменяя плавно в небольших пределах частоту синусоидального генератора Г3-112, добиться относительно неподвижного изображения интерференционной фигуры одного импульса. Следует отметить, что в идеале изображение этого одного импульса должно быть неподвижным. Но в данном случае ввиду некогерентности частот генераторов, полная синхронизация будет отсутствовать, т. е. изображение импульса будет плавать. Необходимо добиться наиболее медленного плавания импульса. При этом Fимп 1 = Fген 1 . Уменьшив в 2 раза частоту синусоидального генератора и, подстраивая ее плавно, добиться на экране неподвижного изображения двух импульсов. При этом Fимп 2 = 2Fген 2 . Установив частоту синусоидального генератора в 3 раза меньше первоначального измерения, плавной подстройкой частоты генератора Г3-112 добиться неподвижного изображения трехимпульсов. При этом Fимп 3 = 3Fген 3 . Отсчет частотFген 1 , Fген 2 , Fген 3 производить по шкале (лимбу) генератора Г3-112. За результат измерения принять среднее арифметическое из трех измерений Fимп =  ( Fимп 1+Fимп 2 + Fимп 3 ) (7.10)В методе интерференционных фигур осциллограф не вносит погрешности в измерение, поскольку является только устройством сравнения частот двух сигналов, поэтому погрешность измерения будет определяться погрешностью образцового сигнала и в данном эксперименте будет равна погрешности определения частоты по индикатору генератора синусоидального сигнала (см. техническое описание генератора Г3-112). Записать результат измерения частоты сигнала в соответствии с метрологическими правилами. 7.4. Измерение частоты повторения импульсов с помощью частотомера. Подать измеряемую последовательность импульсов с выхода генератора Г5-54 с заданными параметрами на ВХОД частотомера. Произвести измерение частоты и периода повторения в соответствии с инструкцией по эксплуатации частотомера (раздел: ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ). При измерении частоты с помощью частотомера погрешность измерения определяется в соответствии с техническими характеристиками прибора Ч3-34 (Ч3-38 ) (см. описание частотомера). Записать результат измерения частоты сигнала в соответствии с метрологическими правилами. ПРИЛОЖЕНИЯ. Приложение 1 ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ Г3 – 112 Краткое описание, технические характеристики 1. Краткое описание. Генератор сигналов низкочастотный Г3 – 112 представляет собой источник синусоидального (основной режим) и прямоугольного (дополнительный режим) сигналов и предназначен для исследования, настройки и испытания систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, связи, автоматике, вычислительной и измерительной технике, приборостроении. Упрощенная структурная схема прибора приведена на рис. 1.1 и имеет в своем составе: задающий генератор ЗГ; формирователь прямоугольного сигнала ФП; плавный регулятор напряжения РН; усилитель мощности УМ; ступенчатый аттенюатор (ослабитель) выходного напряжения Атт. «СИНХР» «ВЫХОД»  ФП |