Пояснения к работе. Помощью осциллографа

Помощью осциллографа

Измерение параметров гармонического напряжения с

Лабораторная работа № 3.5.

Цель работы: Получение сведений о характеристиках и устройстве электронного осциллографа. Приобретение навыков измерения параметров гармонического напряжения, а также фазовых сдвигов с помощью осциллографа.

Задание для домашней подготовки

Используя рекомендованную литературу, изучите следующие вопросы:

- переменное электрическое напряжение и его параметры;

- методы измерения амплитуды, частоты и угла фазового сдвига для синусоидального электрического напряжения;

- методы измерения временных интервалов;

- устройство, принцип действия и основные характеристики электронного осциллографа.

Осциллограф – это универсальное средство измерений для графического отображения зависимости электрического напряжения от времени. Осциллограф является единственным прибором, позволяющим увидеть форму переменного напряжения и измерить одновременно все его параметры. В связи с этим осциллограф незаменим при исследовании периодических негармонических сигналов, а также непериодических сигналов. Только с помощью осциллографа можно определить такие характеристики импульсных сигналов как длительности фронтов, спад вершины импульса, параметры колебательного процесса и многие другие.

Для точного измерения отдельных параметров переменного используются специализированные приборы: вольтметры переменного тока, частотомеры и фазометры. При их применении следует учитывать, что эти приборы в случае негармонических сигналов могут дать некорректные результаты измерений, обусловленные несинусоидальной формой напряжения. В связи с этим для правильной трактовки результатов измерений переменного напряжения, например вольтметром, необходимо предварительно определить форму напряжения осциллографом.

В данной работе с помощью виртуального электронного осциллографа измеряются параметры гармонического напряжения, текущее значение U (t) которого изменяется во времени по синусоидальному закону

где U_m – амплитуда, t – время, ω – угловая частота, φ – начальная фаза.

Существует несколько разновидностей электронных осциллографов: универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные, специальные. Наиболее распространены универсальные осциллографы. Рассмотрим упрощенную структурную схему такого прибора (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема универсального осциллографа

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Изображение на экране ЭЛТ возникает в результате перемещения электронного луча по экрану, покрытому люминофором. Перемещение луча в вертикальном направлении происходит под действием электрического поля вертикально отклоняющих пластин, а в горизонтальном направлении – горизонтально отклоняющих пластин.

На вертикально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя вертикального отклонения (УВО), которое пропорционально амплитуде исследуемого сигнала на используемом входе канала вертикального отклонения «Υ».

На горизонтально отклоняющие пластины подается управляющее напряжение с выхода усилителя горизонтального отклонения (УГО). Если вход УГО подключен к выходу внутреннего генератора развертки, это напряжение имеет пилообразную форму. Если вход УГО с помощью переключателя входов подключен к одному из выходов промежуточного усилителя вертикального отклонения (УВО), напряжение развертки изменяется во времени по такому же закону, как и исследуемое напряжение.

Если напряжение развертки имеет пилообразную форму, луч на экране ЭЛТ будет перемещаться в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. При этом осциллограмма будет иметь вид графика зависимости амплитуды исследуемого сигнала от времени в прямоугольной системе координат.

Входное устройство служит для согласования входа осциллографа с выходом источника исследуемого сигнала. Линия задержки и устройство синхронизации обеспечивают подачу управляющих напряжений на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины в нужные моменты времени.

Калибратор представляет собой встроенный в осциллограф генератор сигнала известной амплитуды и частоты, которые воспроизводятся с высокой точностью (обычно это прямоугольное напряжение "меандр" с частотой 1 кГц). Калибратор используется для проверки и настройки коэффициентов отклонения осциллографа. В данной лабораторной работе используется внешний виртуальный калибратор.

Вид изображения на экране определяются такими характеристиками осциллографа, как коэффициент вертикального отклонения К _В и коэффициент развертки К _Р. Под коэффициентом отклонения К _В понимают отношение значения напряжения U на входе канала «Y» к величине вертикального перемещения D луча на экране ЭЛТ под воздействием этого напряжения:

К _В = U / D.

Коэффициент К _В имеет размерность В/дел, мВ/дел (имеется в виду «большое» деление).

Под коэффициентом развертки К _р понимают отношение значения времени Т _п прямого хода луча к величине горизонтального перемещения L луча на экране ЭЛТ за время Т _п

К _Р = T _п/ L.

Коэффициент К _р имеет размерность мс/дел, мкс/дел.

Фиксированные калиброванные значения коэффициентов К _В и К _р устанавливаются с помощью поворотных переключателей на передней панели осциллографа. Калиброванные значения К _В и К _р соответствуют ряду (1, 2, 5) × 10 ⁿ, где n = –3; –2; –1; 0; 1; 2. Основные погрешности коэффициентов отклонения К _В и К _р нормируется в соответствии с классом осциллографа (табл. 1).

Таблица 1. Метрологические характеристики электронных осциллографов

Наименование параметра	Норма для осциллографов класса
Основная погрешность измерения напряжения, % не более
Основная погрешность коэффициентов отклонения, % не более	2,5
Основная погрешность измерения временных интервалов, % не более
Основная погрешность коэффициента развертки, % не более	2,5
Неравномерность вершины переходной характеристики, % не более	1,5

Измерение с помощью осциллографа амплитуды гармонического напряжения U_m методом непосредственной оценки проводится в соответствии с соотношением

2U_m = К _В D, (1)

где D – вертикальный размер изображения синусоиды от верхнего до нижнего края в делениях шкалы (двойная амплитуда).

Погрешность измерения амплитуды напряжения зависит от погрешности коэффициента отклонения Δ К _в и ширины линии луча на экране осциллографа. Часто приходится учитывать также погрешность от параллакса, вызванную тем, что свечение люминофора возникает на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, а координатная сетка нанесена на внешней поверхности защитного стекла. Толщина стекла экрана и защитного стекла (аналог расстояния между стрелкой и шкалой у стрелочных приборов) и служит причиной этой погрешности. Погрешность от параллакса проявляется, если направление взгляда оператора отклоняется от нормали к поверхности экрана. Погрешности, обусловленные шириной линии луча и параллаксом, примерно постоянны (порядка 0,1 деления шкалы). Поэтому, чем больше вертикальный размер осциллограммы, тем меньшую относительную погрешность дают эти составляющие.

Абсолютная погрешность измерения амплитуды напряжения рассчитывается по формуле

(2)

где γ _m – основная погрешность измерения напряжения для осциллографов 2 класса (табл. 1), %;

N = 8 – количество делений экрана по вертикали.

Относительная погрешность измерения амплитуды напряжения с учетом выражения (1) определяется по формуле, %

(3)

где U_m – измеренная амплитуда гармонического напряжения.

Отсюда следует, что относительная погрешность δ _m снижается при увеличении размера изображения D. При D = N погрешность принимает минимальное значение δ _m = γ _m.

Измерение периода Т гармонического напряжения методом непосредственной оценки выполняется в соответствии с выражением

T = К _р L, (4)

где L – период синусоиды на экране ЭЛТ в делениях шкалы.

Зная период, можно найти частоту колебаний

f =1/ T. (5)

Абсолютная погрешность измерения периода сигнала

(6)

где γ _Т – основная погрешность измерения временных интервалов для осциллографов 2 класса (табл. 1), %;

N = 8 – количество делений экрана по горизонтали.

Относительная погрешность измерения периода напряжения, %

(7)

Отсюда следует, что относительная погрешность δ _T снижается при увеличении размера изображения L. При L = N погрешность принимает минимальное значение δ _T = γ _Т.

Относительная погрешность измерения частоты δ _f определяется из соотношения

δ _f = δ _T. (8)

Абсолютная погрешность измерения частоты

Δ _f = f δ _f /100. (9)

Угол сдвига фаз φ двух гармонических сигналов U ₁(t) = U _{1 m} sin(ω t + φ₁) и U ₂(t) = U _{2 m} sin(ω t + φ₂) одинаковой частоты определяется по формуле

φ = |φ₁ – φ₂|.

Если φ₁ и φ₂ не зависят от времени, то угол φ постоянен. При φ = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при φ = ± π – противофазными.

Рис. 2. Измерение угла сдвига фаз способом линейной развертки

Измерение угла сдвига фаз с помощью осциллографа может выполняться способом линейной развертки или способом эллипса (фигур Лиссажу). В первом случае оценивается сдвиг кривых U ₁(t) и U ₂(t) по горизонтали на экране двухлучевого осциллографа. Значение угла сдвига фаз φ в градусах вычисляют по формуле

(10)

где ab и ac – измеренные длины отрезков осциллограммы, дел (рис. 2).

Абсолютная погрешность измерения угла сдвига фаз методом линейной развертки составляет ± (5…10)°.

При измерении фазового сдвига способом эллипса (фигур Лиссажу) напряжение U ₁(t) подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а U ₂(t) – на вход канала горизонтального отклонения. Генератор линейной развертки при этом выключен. На рис. 3 показано изображение, которое получается на экране при разных углах фазового сдвига.

Рис. 3. Измерение угла сдвига фаз способом эллипса

Угол сдвига фаз определяют по формуле

(11)

где h и H – длины отрезков, измеренные на осциллограмме, дел (рис. 3).

Перед измерением h и H необходимо совместить центр эллипса с началом координат шкалы. Для этого поочередно отключают напряжения U ₁(t) и U ₂(t) и совмещают середины получаемых вертикального и горизонтального отрезков с центром шкалы. Из формулы (6) следует, что результаты измерений однозначно интерпретируются только в диапазоне от 0 до 180^о. Погрешность измерения не превышает ± 2^о при углах φ, близких к 0 и 180^о. При углах φ, близких к 90^о, погрешность возрастает до ± 10^о.

Дата добавления: 2015-04-30