Общие сведения. Цель работы: Ознакомление с принципом действия, метрологическими характеристиками осциллографов и основными методами осциллографических измерений напряжения

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Цель работы: Ознакомление с принципом действия, метрологическими характеристиками осциллографов и основными методами осциллографических измерений напряжения, частоты, фазового сдвига, а также параметров импульсных сигналов. Получение практических навыков использования осциллографа для изучения параметров электрического сигнала.

Приборы и оборудование: осциллограф С1-68, генераторы сигналов специальной формы Г6-29, SFG-71013, лабораторные макеты.

Электронный осциллограф - универсальный измерительный прибор, применяемый для визуального наблюдения и фотографирования электрических сигналов и измерения их параметров.

Принцип действия электронного осциллографа состоит в следующем. Сфокусированный электронный луч, проходя между горизонтально и вертикально отклоняющими пластинами X и Y, может отклоняться под действием напряжения, приложенного к пластинам, перпендикулярно плоскости пластин. Попадая на экран, луч оставляет светящееся пятно, которое, перемещаясь по экрану в соответствии с законом подаваемого на пластины X и Y напряжения, формирует изображение.

В том случае, когда напряжение на горизонтально-отклоняющих пластинах линейно изменяется в течение определенного промежутка времени (периода развертки Т_р), то говорят, что осциллограф работает в режиме "линейной развертки". При этом на экране наблюдается изображение, соответствующее форме напряжения, подаваемого на вертикальные пластины. Однако, изображение будет устойчивым только в том случае, если период горизонтальной развертки (Т_р) и период сигнала (Т_с), отклоняющего луч в вертикальном направлении, являются кратными друг другу, т.е. Т_р= n·Т_с, где n = 1, 2, 3...(см. рис. 1). Кратность Т_р и Т_с достигается введением синхронизации либо от внешнего источника (внешняя синхронизация), либо самим напряжением сигнала (внутренняя синхронизация). Отметим, что в процессе синхронизации изменяется только период Т_р, а скорость развертки остается неизменной величиной, задаваемой дискретно переключателем "время развертки", проградуированном в единицах времени (t) "пробега" лучом "единицы длины" экрана (обычно 1 см). Данным обстоятельством пользуются для определения периода T и частоты f исследуемого сигнала:

Т = l×t; f = 1/Т = 1/l×t, (1)

где l - расстояние между двумя эквивалентными точками изображения периодического сигнала.

Рис. 1. Временные зависимости напряжений сигнала (u)

и развертки (r): а) Т_р= n·Т_с (n = 2); б) Т_р¹ n×Т_с

Таким же образом проводят измерения других временных и динамических характеристик сигнала (например, длительности импульса, скорости нарастания или спада напряжения и т.д.)

Кроме линейной на практике часто используют синусоидальную развертку. Она реализуется когда на X и Y пластины подаются синусоидальные напряжения с частотами f₁ и f₂, соответственно

U_x = U_x⁰ sinw₁t

и (2)

U_у = U_у⁰ sin (w₂t + Dj),

где U_x⁰ и U_у⁰ - амплитуды напряжений, подаваемых на X и Y пластины осциллографа, Dj - сдвиг фаз между U_x и U_y, имеющий смысл в том случае, когда w=2pf.

Координаты луча (X, Y) на экране связаны с U_x и U_y через соответствующие коэффициенты чувствительности K_x и K_y (X = U_x K_x и Y = U_y K_y) каналов осциллографа. Учитывая это и преобразуя уравнение (2) для случая w₁ºw₂, можно получить следующее выражение, описывающее траекторию луча:

(3)

которое является уравнением эллипса (рис. 2) (А и В - максимальные значения отклонений луча в горизонтальном и вертикальном направлениях).

Рис. 2. Траектория луча осциллографа

Очевидно, что максимальное отклонение луча по горизонтали А = U_x⁰×К_x, а по вертикали В = U_y⁰×К_y. В моменты времени, определяемые условиями w×t=p×n и w×t=p×(1/2+n), где n=1, 2,…, луч пересекает координатные оси X и Y в точках: ±а= ±A×sinDj и ±b = ±В×sinDj (рис. 2).

Этим обстоятельством пользуются на практике для определения сдвига фаз между напряжениями, подаваемыми на X и Y каналы осциллографа

(4)

Синусоидальную развертку можно также использовать для определения неизвестной частоты f_x, путем сравнения ее с эталонной частотой (f₀) образцового генератора. Практическое применение нашли метод фигур Лиссажу и метод меток.

Измерение f с помощью фигур Лиссажу заключается в том, что на входы X и Y отклоняющих систем подается напряжение измеряемой f_x и образцовой f₀ частот. При этом на экране осциллографа наблюдается фигура, которая остается неподвижной, если отношение частот равно отношению целых чисел f_x/f₀ или f₀ /f_x = n. (Частный случай n = 1 подробно рассмотрен выше.)

Для нахождения отношения частот f_x/f₀ (см. рис. 3) необходимо условно провести горизонтальную и вертикальную линии, которые пересекали бы фигуру, но не проходили бы

Рис. 3. Изображение фигуры Лиссажу

через ее узлы. Число горизонтальных n_г и вертикальных n_в пересечений находятся в соотношении n_г/n_в = f_x/f₀, откуда:

f_x = f₀×(n_г/n_в) (5)

Для фигуры, приведенной на рис.3. f_x = 2f₀.

Порядок выполнения работы:

1. Проверить наличие заземления у стандартных приборов, используемых в работе. В случае отсутствия заземления сообщить об этом преподавателю.

2. Включить стандартные приборы в сеть и дать им прогреться 15-20 мин.

3. Произвести калибровку осциллографа согласно инструкции по эксплуатации.

Упражнение 1

Визуальное наблюдение и измерение параметров электрического сигнала электронным осциллографом в режиме "линейной развертки"

1. Собрать схему в соответствии с рис. 4. На осциллографе установить режим непрерывной (линейной) развертки. Частоту сигнала на выходе генератора установить равной 1 кГц, а амплитуду» 1 В.

2. Используя ручку дискретного переключателя "усиление", установить оптимальные размеры изображения по вертикали. Затем, изменяя время развертки (ручка "Время/см"), получить на экране осциллограмму с кратностью в один или два периода напряжения генератора. Добиться устойчивости изображения, используя для этого ручки "стаб" и "уровень".

3. По осциллограмме определить размах, амплитуду, период и частоту наблюдаемого сигнала (Примечание: При измерении амплитудных значений интервалов времени ручки плавной регулировки "Усиление" и "Длительность" должны быть повернуты в крайнее положение по часовой стрелке "до щелчка".

4. Зарисовать осциллограмму на кальку, где указать время развертки, усиление канала Y, частоту, установленную на генераторе.

5. Собрать схему в соответствии с рис. 5.

Рис. 4. Функциональная схема измерительной установки для упражнения 1.

1) генератор сигналов специальной формы Г6-29, 2) осциллограф С1-68.

Рис. 5. Функциональная схема измерительной установки

1) генератор сигналов специальной формы Г6-29, 2) осциллограф С1-68.

6. Установить на выходе генератора напряжение с частотой ~ 100 Гц и амплитудой ~ 10 В.

7. Измерить следующие параметры импульсного сигнала (рис.6):

а) амплитуду - А;

б) длительность импульса - t (длительность импульса измеряется по уровню 0,9 А);

в) период следования - Т;

г) скважность Q = T/t;

д) время нарастания t_н и время спада t_с импульса, т.е. время, за которое напряжение либо возрастает от 0,1 до 0,9, либо, наоборот, убывает от 0,9 до 0,1 от своего максимального значения.

8. Зарисовать на кальку осциллограмму импульсного сигнала. Указать время развертки и усиление канала Y.

Рис.6. Определение параметров импульсного сигнала

Упражнение 2

Измерение фазового сдвига и частоты электрических сигналов осциллографическими методами

1. Выполнить пункты 1 - 3 предыдущего задания. Установить амплитуду сигнала на выходе генератора минимальной.

2. Собрать схему в соответствии с рис.7.

3. Отключить генератор развертки осциллографа (Переключатель “X, x1, 0,2” перевести в положение “X”), ручками “«” и “×” установить световое пятно в центре экрана и отрегулировать его яркость, используя для этого ручку “Яркость”.

4. Увеличить напряжение на выходе генератора (1), сделав его таким, чтобы размах изображения по горизонтали был немного меньше размеров экрана. Частоту генератора установить равной»200 Гц. Используя ручку "усиление", получить оптимальные размеры изображения по вертикали.

Рис.7. Блок-схема установки для выполнения упражнения "измерение сдвига фаз". 1 - генератор, 2 – лабораторный макет, 3- осциллограф

5. Измерить величины максимального отклонения луча по горизонтали (АА) и вертикали (ВВ), как показано на рис. 2. Определить размеры отрезков аа и вв, отсекаемых на координатных осях X и Y траекторией луча. По формуле (4) рассчитать сдвиг фаз Dj между напряжениями, подаваемыми на входы "X" и "Y" осциллографа.

6. Последовательно, устанавливая частоту генератора равной 1000 Гц, 5000 Гц, 12000 Гц и 20000 Гц, произвести измерения Dj, а наблюдаемые осциллограммы зарисовать на кальку.

7. Построить график зависимости сдвига фаз от частоты по "экспериментальным точкам" вместе с зависимостью, рассчитанной по формуле:

,

полученной для схемы, изображенной на рис.8, где R = 2,8 кОм; С = 0,05 мкФ.

8.

Собрать схему согласно рис.8.

Рис.8. Блок-схема экспериментальной установки для определения частоты методом фигур Лиссажу:

1 - "эталонный" генератор, 2 - осциллограф, 3 - генератор "неизвестной" частоты

9. Установить частоту сигнала образцового генератора (1) равной 1 кГц, а амплитуду такой, чтобы размах горизонтального отклонения луча был немного меньше ширины экрана.

10. Используя либо ручку регулировки амплитуды выходного напряжения генератора (3), либо ручку "усиление" осциллографа (2), получить оптимальные размеры осциллограммы.

11. Изменяя частоту генератора (3), получить на экране осциллографа устойчивые изображения траекторий лучей, имеющих 1, 2, 3 точки пересечения, а так же изображение эллипса. Зарисовать на кальку наблюдаемые осциллограммы.

12. Пользуясь формулой (5), определить частоту f_x "неизвестного" генератора (3). Сравнить полученное значение f _x со значением, считанным со шкалы частот данного генератора.

Контрольные вопросы:

1. Блок-схема универсального осциллографа и принцип его действия.

2. Основные источники погрешностей осциллографических методов измерений.

3. Основные виды осциллографических разверток.

4. Методики измерений амплитудных, частотных и временных параметров электрического сигнала в режиме линейной (непрерывной) осциллографической развертки.

5. С какой целью в технических характеристиках осциллографов приводят параметры входных цепей (сопротивление, емкость)?

6. Можно ли использовать осциллограф с верхней граничной частотой 1 МГц для определения длительности фронта импульса сигнала с длительностью 10^-6 с?

7. В чем разница между входной емкостью осциллографа и емкостью разделительного конденсатора при "закрытом" входе осциллографа? В каких случаях их следует учитывать?

8. Основные метрологические характеристики универсальных электронных осциллографов.

9. Методы измерения фазовых сдвигов электрических сигналов.

10. Методы измерения частот электрических сигналов.

11. Чем определяется точность измерения частоты в методе фигур Лиссажу?

12. Чем определяется точность осциллографического метода измерения сдвига фаз?

13. Как, используя осциллограф, можно измерить: а) ток в электрической цепи; б) комплексное сопротивление участка электрической цепи?

14. В диапазоне каких частот применяются осциллографические методы определения сдвига фаз?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения / Ф.В. Кушнир. Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

2. Атаманян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин / Э.Г. Атаманян. М.: Высшая школа, 1989.383 с.

3. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения / Б.В. Дворяшин. М.: Радио и связь, 1993. 319 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Дата добавления: 2015-04-30