Конспект Тема 10. Конспект_Тема_10. Тема 10. Электроннолучевые осциллографы и их применение общие замечания
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Тема 10. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Общие замечания Электронно-лучевые (электронные) осциллографы предназначены для визу- ального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возмож- ность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов яв- ляются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое вход- ное сопротивление. Все это обусловило их широкое практическое применение. В настоящее время выпускается множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Осциллографы могут быть предназначены для наблюдения и измерения непрерывных или импульсных процессов; большое рас- пространение получили универсальные осциллографы для периодических и не- периодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункциональные со сменными входными блоками, запоминаю- щие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для исследования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основ- ном двухканальными). В последнее время получили распространение цифровые электронные осциллографы. Осциллографы могут различаться также чувстви- тельностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кри- вой и другими характеристиками. Рассмотрим устройство и принцип действия наиболее распространенных универсальных электронно-лучевых осциллографов. В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в ви- димое изображение, получаемое на экране электронно-лучевой трубки. Электронно-лучевые трубки. Простейшая однолучевая трубка (ЭЛТ) пред- ставляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух и в котором рас- положены (рис. 1) подогреваемый катод К, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А2, две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин ОП Х и ОП У (горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины). Рисунок 1 Внутренняя поверхность дна баллона (экран Э) покрыта люминофором, спо- собным светиться под действием бомбардировки электронами. Совокупность электродов К, М, А1 , А2 называют электронной пушкой. Конструктивно эти элек- троды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Электронная пушка излучает узкий пучок электронов – электронный луч. Для этого на элек- троды пушки подают напряжение, как показано на рис. 1, где ЦУЭЛ – цепи управ- ления электронным лучом. Интенсивность электронного луча регулируют путем изменения отрицательного относительно катода напряжения на модуляторе, что приводит к изменению яркости свечения люминофора. Напряжение на первом аноде фокусирует поток электронов в узкий луч, позволяющий получить на экране трубки светящееся пятно малого размера. Для ускорения электронов до скорости, необходимой для свечения люминофора, на второй анод подается высокое поло- жительное напряжение. Сформированный электронный луч проходит между па- рами отклоняющихся пластин ОП Х и ОПу и под действием напряжений, при- ложенных к этим пластинам, отклоняется, соответственно, по осям координат X и Y, вызывая смещение светящегося пятна на экране трубки. На рис. 1 также по- казана упрощенная схема управления начальной установки луча по оси У (по оси X управление аналогичное) . Меняя положение подвижного контакта переменного резистора («Смещение У»), можно изменять напряжение на пластинах Y и тем самым смещать луч по экрану. При исследовании быстропротекающих процессов с малой частотой повто- рения или однократных импульсов электронный луч не успевает возбудить в до- статочной мере люминофор и яркость свечения может оказаться недостаточной. Поэтому в современных электронно-лучевых трубках применяют дополнительное ускорение электронов при помощи третьего анода Аз, подавая на него большое положительное напряжение. Осциллографические электронно-лучевые трубки характеризуются чувстви- тельностью, полосой пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площа- дью экрана, цветом свечения люминофора и другими характеристиками. Чувствительность трубки S T= l т /U T , где l т – отклонение луча на экране трубки, вызванное напряжением U T , приложенным к отклоняющим пластинам. Обычно S T = 0,5…5 мм/В. С увеличением частоты напряжения чувствительность трубки падает. Верхняя частота полосы пропускания трубки равна такой частоте, при ко- торой ее чувствительность уменьшается до значения 0,707 S T (на 3 дБ), где S Т – чувствительность на малых частотах. У рассматриваемых электронно-лучевых трубок верхняя частота примерно 100 МГц. Длительность послесвечения экрана характеризуют временем от момента прекращения действия электронного луча до момента, когда яркость изображения составит 1 % первоначальной. Трубки с длительным послесвечением (более 0,1с) облегчают наблюдение непериодических и медленно изменяющихся сигналов. Специальные запоминающие трубки позволяют сохранить изображение сигнала на интервалы времени от нескольких минут до нескольких суток. Рабочая площадь экрана определяется диаметром трубки. Выпускают трубки с диаметром 70 мм и более. Тип люминофора определяет цвет свечения экрана. Обычно находят применение трубки с зеленым цветом свечения. Для фо- тографирования изображения с экрана осциллографа используют трубки с голу- бым свечением экрана. В современных осциллографах применяют также и более сложные, в част- ности, многолучевые трубки для наблюдения сразу двух и более сигналов, трубки с линией бегущей волны для наблюдения за сверхвысокочастотными ко- лебаниями и др. Устройство и принцип действия осциллографа. Упрощенная функцио- нальная схема осциллографа (рис. 2) включает в себя электронно-лучевую трубку ЭЛТ, входной делитель напряжения ВД, усилитель вертикального отклонения УВО, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и вы- ходного усилителя ВУ, блок синхронизации БС, генератор развертки ГР усили- тель горизонтального отклонения УГО и калибраторы амплитуды КА и длитель- ности КД. Рисунок 2 Исследуемый сигнал подается на вход Y канала вертикального отклонения, включающего в себя входной делитель и усилитель вертикального отклонения. Выходное напряжение УВО, поступая на вертикально отклоняющие пластины, управляет отклонением электронного луча в трубке по оси Y. Для получения тре- буемого размера изображения на экране входной сигнал усиливается (или ослабе- вает) в канале вертикального отклонения до необходимого значения, определяе- мого чувствительностью трубки. Последовательное включение делителя напряже- ния и усилителя вертикального отклонения обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений. Основное усиление УВО обеспечивается предваритель- ным усилителем ПУ, а выходной усилитель ВУ в основном служит для преобра- зования усиливаемого сигнала в управляющее напряжение, подаваемое на от- клоняющие пластины. При подаче переменного напряжения на вход Y электронный луч вычерчи- вает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исследуемого сигнала, развернутого во времени, необходимо смещать (развер- тывать) луч по оси X с равномерной скоростью – линейная развертка. Это осу- ществляется подачей на отклоняющие пластины ОП Х линейно изменяющегося напряжения (рис. 3). Рисунок 3 На рисунке показана форма линейно изменяющегося (пилообразного) напряже- ния, она имеет прямой ход t пр – время развертки и обратный – t обр . Принцип развертки изображения иллюстрируется рис.10.4, где даны кривые изменения напряжения и х и и y , подаваемые на пластины ОП Х и OП Y , и получающееся при этом изображение на экране осциллографа. Цифрами 1–4, 1'–4' обозначены точки кривых в соответ- ствующие моменты времени. Из рисунка видно, что при равенстве периодов напря- жений и х и u y на экране получается неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода пилообразного напряжения и х в п раз на экране появится изображение п периодов исследуемого сигнала. Рисунок 4 Напряжение развертки и ГР вырабатывает генератор развертки ГР. Реальная кривая напряжения развертки (см. рис. 3) имеет время прямого t np и время обрат- ного t обр хода – время возвращения луча в исходное положение. Для того чтобы во время обратного хода электронный луч не вычерчивал линии на экране осцил- лографа, его гасят на это время путем подачи отрицательного импульса на моду- лятор. Исследование сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается пере- ключением частоты пилообразного напряжения, предусмотренном в генераторе развертки. Это позволяет проводить наблюдения исследуемых сигналов в нужном масштабе времени. Выходное напряжение генератора усиливается в УГО до зна- чения, необходимого для управления электронным лучом в ЭЛТ и получения изображения требуемого размера. Для получения устойчивого изображения на экране осциллографа частота пилообразного напряжения развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Выдержать точно кратность частот напряжений и х и u Y на практике ока- зывается достаточно сложно вследствие «ухода» частоты генератора ГР и изме- нения частоты исследуемого сигнала. Это приводит к неустойчивости изображе- ния сигнала. Для обеспечения устойчивости изображения в осциллографе име- ется блок синхронизации БС (см. рис. 2), который осуществляет изменение ча- стоты генератора ГР (в некоторых пределах) в соответствии с частотой исследуе- мого процесса. Для этого сигнал из канала вертикального отклонения подается на блок синхронизации, на выходе которого вырабатываются импульсы синхронно с изменением исследуемого сигнала для управления генератором развертки, прину- дительно заставляя его работать с частотой, кратной частоте входного сигнала. Такой режим работы генератора развертки называется непрерывным. Он приме- няется при наблюдении периодических сигналов. При исследовании непериодической последовательности импульсов или оди- ночных импульсов непрерывный режим работы ГР приводит к тому, что положе- ние изображения импульсов на экране по оси времени становится неопределен- ным. В этом случае применяют ждущий режим работы генератора, при котором ГР вырабатывает пилообразный импульс только с приходом исследуемого импульса. При таком режиме обеспечивается устойчивое положение изображения импуль- сов на экране. Рисунок 5 иллюстрирует ждущий режим работы ГР, где показаны входные импульсы и у (рис. 5, а), пилообразные импульсы и ГР (рис. 5, б) генера- тора развертки и изображение на экране осциллографа (рис. 5, в). Рисунок 5 В осциллографах предусматривается также возможность запуска генератора ГР от внешнего источника (внешняя синхронизация). Для этого имеется специ- альный вход «Вход синхронизации» и переключатель В 2 Исследование импульсных и особенно непериодических сигналов имеет ряд особенностей. В частности, генератор развертки вследствие своей инерционности вырабатывает пилообразное напряжение с некоторым запаздыванием во времени (t гр ) по отношению к запускающему импульсу. Это может привести к тому, что начальная часть импульса не будет развернута во времени на экране (рис. 6, а). Для устранения таких искажений в канале вертикального отклонения имеется линия задержки ЛЗ, осуществляющая временной сдвиг (задержку) на некоторое время t 3 >t гр сигнала, подаваемого на пластины ОП У (рис. 6, б, где и лз – напряжение на выходе ЛЗ). Такая задержка позволяет получить изображение всего импульса, включая его начальную часть, на экране осциллографа. В низкочастотных осцил- лографах, предназначенных для исследования периодических процессов, линия задержки может отсутствовать. Рисунок 6 Для расширения функциональных возможностей осциллографа имеются до- полнительные входы, позволяющие осуществить управление электронным лучом. Во многих осциллографах предусмотрена возможность управления отклоне- нием луча по оси X внешним напряжением. Для этого у осциллографа есть «Вход X» (см. рис. 2), на который подается внешнее управляющее напряжение, и пере- ключатель В 3 , устанавливаемый в этом случае в нижнее (по схеме) положение. В осциллографах имеются также зажимы «Вход пластин X» и «Вход пластин У», позволяющие подавать внешнее напряжение непосредственно на пластины элек- тронно-лучевой трубки. В некоторых осциллографах имеется вход Z, который че- рез разделительный конденсатор (или специальный усилитель) соединен с моду- лятором М электронно-лучевой трубки. Подавая импульсы напряжения на этот вход, можно модулировать (изменять) яркость свечения изображения на экране. Это позволяет, например, отмечать характерные точки на изображении, подавая импульсы на вход Z в необходимые моменты времени. При измерении амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов обычно измеряют соответствующие геометрические размеры изображения сиг- нала на экране и с помощью коэффициентов отклонения и коэффициентов раз- вертки (см. далее), характеризующих чувствительность каналов, определяют зна- чения этих параметров. Для повышения точности измерений осциллографы имеют калибраторы амплитуды КА и длительности КД, позволяющие контроли- ровать и устанавливать номинальные значения коэффициентов отклонения и ко- эффициентов развертки. Калибраторы часто представляют собой генераторы пря- моугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Для про- верки коэффициентов отклонения переключатель В 1 (см. рис. 2) ставится в по- ложение «Калибровка». Меняя усиление УВО, добиваются нормированного от- клонения луча на экране, что приводит к установке соответствующего коэффици- ента отклонения. По периоду калибровочного импульса можно проверить или установить нормированное значение коэффициента развертки. В некоторых ос- циллографах КД представляет собой стабильный по частоте генератор, выход ко- торого при измерении подключается к модулятору ЭЛТ. Сигнал генератора вы- зывает появление на экране чередующихся светлых и темных участков. По их числу, зная частоту генератора КД, можно определить временные параметры исследуемых сигналов. Основные метрологические характеристики осциллографов Коэффициент отклонения т и – отношение напряжения входного сигнала к отклонению луча (в делениях шкалы), вызванному этим напряжением. У наиболее распространенных осциллографов коэффициент отклонения находится в диапа- зоне 50 мкВ/дел – 10 В/дел. Коэффициент отклонения – параметр, обратный чув- ствительности. Полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого коэффициент от- клонения изменяется не более чем на 3 дБ (примерно 30 %) относительно его зна- чения на некоторой средней (опорной) частоте. Для низкочастотных осциллогра- фов полоса пропускания находится в диапазоне от 0 до 1–5 МГц; для универсаль- ных осциллографов верхняя частота достигает десятков мегагерц, для высокоча- стотных – сотен мегагерц. Для измерения импульсных сигналов важными являются параметры переход- ной характеристики – время нарастания переходной характеристики и макси- мальный выброс. Коэффициент развертки m t – отношение времени к отклонению луча, вы- званному напряжением развертки за это время. Обычно осциллографы имеют широкий диапазон изменения коэффициента развертки. Например, у осцилло- графа С1-65 коэффициент развертки находится в диапазоне 0,01 мкс/дел– 0,05 с/дел. Коэффициент развертки – параметр, обратный скорости перемещения луча по оси X. Основная погрешность измерения напряжения и основная погрешность из- мерения временных интервалов определяются максимально допускаемыми по- грешностями измерения соответствующих параметров при подаче на вход осцил- лографа стандартного сигнала синусоидальной или прямоугольной формы. В зависимости от значений этих погрешностей выпускают осциллографы четырех классов точности – 1, 2, 3, 4, имеющих, соответственно, основные погрешности измерений, не превышающие 3, 5, 10, 12 %. Часто вместо основных погрешностей измерений нормируют основные по- грешности коэффициента отклонений и коэффициента развертки, а также не- линейность отклонения и развертки. Параметры входов осциллографа определяются входным активным сопро- тивлением R вх и входной емкостью С вх. Обычно R вх > 1 МОм, а С вх. составляет де- сятки пикофарад. Для высокочастотных осциллографов С вх. составляет единицы пикофарад. Осциллографы характеризуются и другими параметрами, например: максимально допустимым входным напряжением, размерами рабочей части экрана, потребляемой мощностью, габаритами, массой и др. Измерение частоты, фазы, временных интервалов При научных исследованиях и в производственной практике часто встреча- ется необходимость измерения частоты, временных интервалов, фазового сдвига между напряжением и током нагрузки в цепях промышленной частоты и между периодическими напряжениями одинаковой частоты любой формы. Большое зна- чение, особенно в научных исследованиях, имеет анализ спектра электрических сигналов. Диапазон частот периодических сигналов, используемых в различных обла- стях науки и техники, очень широк – от долей герца до десятков гигагерц. Весь спектр частот электромагнитных колебаний делят на два диапазона – низких и высоких частот. К низким частотам относят инфразвуковые (ниже 20 Гц), звуко- вые (20 – 20000 Гц) и ультразвуковые (20 – 200 кГц). Высокочастотный диапазон, в свою очередь, разделяют на высокие частоты (200 кГц – 30 МГц), ультравысо- кие (30 – 300 МГц) и сверхвысокие (выше 300 МГц). Измерения частоты в высо- кочастотном диапазоне (ультра- и сверхвысокие частоты) относят к радиоизмере- ниям. Измерение частоты по сравнению с измерениями других физических вели- чин возможно с очень большой точностью, обусловленной высокой помехозащи- щенностью частотного сигнала и возможностью преобразования частоты с боль- шой точностью в цифровой код. Погрешность измерения частоты зависит от ис- пользуемых средств и методов измерений и различна для разных диапазонов ча- стот. Временной интервал отличается многообразием форм представления. Так, временной интервал может быть в виде периода синусоидальных колебаний, пе- риода следования импульсов, интервала между двумя импульсами, в виде дли- тельности импульса и т. п. Диапазон измеряемых временных интервалов очень широк: от долей микросекунды до десятков часов и более. В некоторых случаях частота и время связаны между собой обратно пропор- циональной зависимостью и могут быть измерены с одинаковой точностью. Пре- дельная точность измерений временных интервалов и частоты определяется точ- ностью государственного первичного эталона, обеспечивающего воспроизведе- ние единиц времени и частоты со средним квадратическим отклонением резуль- тата измерения, не превышающим 13 10 1 при неисключенной систематической погрешности 12 10 1 . Государственный первичный эталон передает размер единиц времени и частоты через вторичные эталоны, эталоны-копии, рабочие эталоны образцовым средствам измерений времени и частоты, средние квадратические от- клонения результата поверки которых составляют от 11 10 1 до 5 10 1 . В свою оче- редь, образцовые средства измерений времени и частоты передают размер единиц рабочим средствам, средние квадратические отклонения результата поверки ко- торых составляют от 11 10 1 до 3 10 1 Диапазон измерения угла фазового сдвига составляет 360 0 . Некоторые средства измерений градуируют не в единицах угла сдвига, а в безразмерных еди- ницах коэффициента мощности cos – для синусоидальных напряжений (токов) или П А P P Ф / cos – для несинусоидальных напряжений (токов), где A P и П P – ак- тивная и полная мощность соответственно; cos (или Ф cos ) измеряют в диапазоне от 0 до 1. Точность измерения угла фазового сдвига зависит от частоты напряжений (токов), фазовый сдвиг между которыми измеряется, а также от применяемых средств и методов измерений. Предельная точность измерений угла фазового сдвига определяется государ- ственным специальным эталоном угла фазового сдвига между двумя электриче- скими напряжениями в диапазоне частот 5 3 10 2 10 1 Гц, обеспечивающим вос- произведение единицы со средним квадратическим отклонением результата из- мерения от 3 10 3 , 0 до 3 10 10 градуса в зависимости от измеряемой величины. Пределы допускаемых абсолютных погрешностей образцовых средств измерений 1-го разряда не должны превышать 0,1°, а 2-го разряда – 0,3°. Для рабочих средств измерений пределы допускаемых абсолютных погрешностей составляют от 0,03 до 5°. Измерение частоты. В зависимости от диапазона измерений и требуемой точности используют различные средства и методы измерений. Для измерения частоты в узком диапазоне (45—55; 450— 550 Гц и т. д.) при наибольшей частоте 2500 Гц применяют электродинамические и электромагнит- ные частотомеры. Классы точности электродинамических частотомеров 1; 1,5; электромагнитных частотомеров— 1,5; 2,5. Для измерения низкой частоты в узком диапазоне (48 – 52; 45 – 55 Гц и т. д.) могут применяться резонансные частотомеры. Класс точности таких частотоме- ров 1–2,5. В диапазоне высоких и сверхвысоких частот частота может измеряться вы- сокочастотными резонансными частотомерами, в которых, в отличие от электро- механических резонансных частотомеров, используется колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора. Погрешность измерения частоты в этом случае составляет ±(0,05—0,1) %. Для измерения частоты в широком диапазоне (от 10 Гц до нескольких мега- герц) могут применяться электронные аналоговые частотомеры. Класс точности 0,5—2,5. Для измерения частоты электрических сигналов получил распространение метод сравнения, отличающийся относительной простотой, сравнительно высо- кой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте. Индикатором равенства или кратности частот может служить электронный ос- циллограф. Этот способ измерения частоты пригоден для измерения частот в пре- делах полосы пропускания электронно-лучевой трубки. Измерение частоты можно производить при линейной, синусоидальной и круговой развертках. При линейной развертке период сигнала измеряемой частоты x f сравнива- ется с периодом развертки, либо с периодом меток времени калибратора длитель- ности M T . В первом случае учитывается коэффициент развертки t m , а результат измерения частоты x f определяется по формуле ) /( 1 l m f t x , где l – период сигнала частоты x f , отсчитанный в делениях шкалы на экране осциллографа. При измере- нии частоты с помощью меток времени калибратора длительности устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и регулируют период меток M T так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота ) /( 1 M x nT f , где n – число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения. Преимуществом этих спосо- бов является возможность исследования колебаний любой формы, недостатком – низкая точность: погрешность может достигать ±(5-10) %. Рисунок 7 Более точные результаты могут быть получены при сравнении двух колеба- ний синусоидальной формы методом фигур Лиссажу. На одну из пар отклоняю- щих пластин осциллографа подают синусоидальное напряжение известной ча- стоты, а на другую – исследуемое напряжение. Изменяя известную частоту, до- биваются получения кривой на экране в виде неподвижной или медленно переме- щающейся фигуры Лиссажу. По виду фигуры Лиссажу судят о частоте и фазовом сдвиге исследуемого напряжения. На рис. 7 показаны фигуры Лиссажу для нескольких соотношений частот и углов фазового сдвига. Кратность частот при любой форме неподвижного изоб- ражения фигуры определяют по числу пересечений изображения фигуры гори- зонтальной Г n и вертикальной В n линиями. Отношение В Г В Г f f n n / / , где Г f и В f – частоты напряжений, поданных на горизонтально и вертикально отклоняю- щие пластины соответственно. Если напряжение измеряемой частоты x f подано на вертикально отклоняющие пластины, а напряжение известной, образцовой ча- стоты О f – на горизонтально отклоняющие пластины, то В Г О x n n f f / Этот метод применяют лишь при относительно небольшой кратности частот, обычно не превышающей 10, так как в противном случае фигуры Лиссажу стано- вятся запутанными и с трудом поддаются расшифровке. Рисунок 8 При большей кратности сравниваемых частот предпочтительным оказыва- ется метод круговой развертки. В этом случае два равных напряжения X U , Y U низкой частоты x f с фазовым сдвигом 90° подают на оба входа осциллографа (см. рис. 8). Под действием этих напряжений луч на экране описывает окружность с частотой напряжений X U , Y U .Напряжение измеряемой частоты x f подают к элек- троду, модулирующему яркость электронного луча (канал Z). При кратности ча- стот на экране будет изображение окружности в виде штриховой линии. Число темных или светлых штрихов n равно кратности частот, откуда О x nf f При круговой развертке сравнивать частоты можно до кратности 50, а при фотографировании осциллограмм – до нескольких сотен. Погрешность осциллографических методов измерения частоты определяется главным образом погрешностью определения О f и может быть доведена до 4 10 – 6 10 В последнее время перечисленные методы и средства измерений частоты все более вытесняются измерением с помощью цифровых частотомеров. Выпускае- мые промышленностью цифровые частотомеры могут измерять частоту в диапа- зоне от 0,01 Гц до 17 ГГц. Погрешность цифровых частотомеров главным образом зависит от нестабильности образцового (кварцевого) генератора и меняется от 8 10 до 5 10 5 Измерение временных интервалов. Для измерения временных интервалов применяют электронно-лучевые осциллографы и цифровые измерители времен- ных интервалов. При применении электронно-лучевого осциллографа временной интервал измеряют, используя метки времени калибратора с периодом длительности M T , либо учитывая коэффициент развертки t m . Результат измерения в первом случае определяется по формуле M x nT t , где n – число меток, находящихся в пределах измеряемого временного интервала. Во втором случае на экране осциллографа определяют временной интервал в делениях шкалы l и результат рассчитывают по формуле l m t t x . Погрешность измерения временных интервалов в этом случае достигает 5 – 10%. Для измерения временных интервалов однократно протекающих импульс- ных процессов необходимо применять осциллографы с достаточным послесвече- нием. Для измерения временных интервалов очень малой длительности импульсов ( 9 10 – 10 10 с) используют стробоскопические осциллографы, принцип действия которых состоит в измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов с помощью коротких так называемых стробирующих импульсов напряжения. Цифровые приборы для измерения временных интервалов являются наибо- лее точными при измерении относительно больших интервалов (миллисекунды и более). При измерении малых интервалов времени погрешность дискретности, определяемая конечным значением частоты заполнения, может оказаться значи- тельной. Для уменьшения этой погрешности применяют способ растяжения из- меряемого интервала в определенное число раз, а при измерении периода колеба- ний – способ усреднения. В способе растяжения применяют поочередное интегрирование двух стаби- лизированных напряжений постоянного тока 1 U и 2 U различной полярности. Напряжение 1 U интегрируется в течение измеряемого интервала времени x t , а напряжение 2 U – в течение интервала ' x t , определяемого от момента окончания ин- тервала x t до момента времени, когда напряжение на выходе интегратора станет равным нулю. Интервалы времени ' x t и x t связаны соотношением 2 1 ' /U U t t x x При способе усреднения измеряется период, больший измеряемого в опреде- ленное число раз. Увеличение периода осуществляется с помощью делителя ча- стоты. Результатом измерения в этом случае будет среднее значение периода ис- следуемого колебания. При измерении длительности коротких (десятки наносекунд) однократных импульсов применяют нониусный способ измерения. Измерение фазового сдвига. Для измерения фазового сдвига между напря- жением и током нагрузки в цепях промышленной частоты применяют электроди- намические фазометры классов точности 0,2; 0,5. В симметричных трехфазных цепях коэффициент мощности может изме- ряться специальными трехфазными фазометрами, классы точности которых 1,5; 2,5. В несимметричной трехфазной цепи измеряют фазовые сдвиги между напря- жением и током в каждой фазе отдельно. При этом токовые зажимы фазометра включают последовательно в фазу трехфазной цепи, а потенциальные — между фазой и нулевой точкой трехфазной цепи. Если нулевая точка недоступна, то ее создают искусственно. Большое распространение получили цифровые фазометры, имеющие частот- ный диапазон входных напряжений до 150 МГц. Приведенная погрешность циф- ровых фазометров ± (0,1 – 0,5) %. Для измерения фазового сдвига применяют электронно-лучевые осцилло- графы. Проще всего измерения фазового сдвига выполняют с помощью двухлу- чевых или двухканальных осциллографов. В этом случае на экране получают изображение двух напряжений, что дает возможность измерить временной сдвиг x t между напряжениями и период x T и оценить фазовый сдвиг (в градусах) по формуле x x x T t / 360 . Погрешность измерения x определяется погрешностью измерения x t и x T , и может достигать ± (5 – 10) %. Рисунок 9 Фазовый сдвиг может быть измерен также с использованием фигур Лиссажу. На рис. 9 показаны фигуры Лиссажу, получающиеся при подаче на два входа X и У осциллографа двух синусоидальных напряжений x U и y U одинаковой частоты при разных фазовых сдвигах. Значение фазового сдвига ) / arcsin( А Б , где А и Б – отрезки осей координат, определяемые по изображению. Погрешность определения фазового сдвига со- ставляет ±(5—10) %. Более высокую точность измерения можно получить, используя электронно- лучевой осциллограф как нуль-индикатор. В этом случае между источником од- ного напряжения (положим x U ) и соответствующим входом осциллографа (X) включается фазовращающее устройство. Фазовый сдвиг регулируется фазовра- щающим устройством до тех пор, пока фигура Лиссажу на экране осциллографа не превратится в прямую линию. Измеряемый фазовый сдвиг в этом случае от- считывается по шкале фазовращателя. Для измерения фазового сдвига, а также коэффициента мощности (или коси- нуса угла сдвига) можно воспользоваться также косвенным методом трех прибо- ров; амперметра, вольтметра и ваттметра. Недостатком этого метода является суммирование погрешностей отдельных средств измерений и необходимость од- новременного отсчета показаний трех приборов и вычисления значения искомой величины. |