4. Применение электронно-лучевых осциллографов

4.1. Получение на экране осциллографа изображения исследуемого напряжения

До подачи исследуемого напряжения на вход осциллографа следует установить автоматический режим развертки (AUTO), при котором обеспечивается развертка луча по горизонтали даже без настроенной синхронизации, и масштаб изображения по горизонтали около 1 мс/дел, а затем ручками смещения луча по вертикали и горизонтали ввести его в пределы экрана.

Затем, ориентируясь на априорные сведения об исследуемом напряжении, нужно установить ручкой «Вольт/дел» (VOLTS/DIV) такой начальный масштаб по вертикали, при котором после подачи исследуемого напряжения на вход осциллографа его луч оставался бы в пределах экрана, а ручкой «Время/дел» (TIME/DIV) – такой начальный масштаб изображения по горизонтали, чтобы в пределах экрана оказалось от двух до двадцати периодов исследуемого напряжения: при этом проще будет настроить синхронизацию развертки.

После этого можно подавать исследуемое напряжение на вход осциллографа и добиваться устойчивого изображения на экране.

Смещение и масштаб изображения по вертикали устанавливают такими, чтобы размах изображения по вертикали оказался возможно большим, но в пределах экрана. При большом размахе изображения по вертикали уменьшаются погрешности измерения, а также облегчается настройка синхронизации развертки. Однако при выходе части изображения за пределы экрана по вертикали может исказиться изображение, оставшееся в пределах экрана.

Настройка синхронизации развертки сводится к выбору источника синхронизирующего сигнала, уровня и полярности запуска развертки.

Обычно используется «внутренняя» синхронизация. Она также является единственно возможной, если на осциллограф подается только одно исследуемое напряжение. В двухканальных осциллографах для установки внутренней синхронизации достаточно в качестве источника синхронизирующего напряжения выбрать тот канал, на вход которого подано исследуемое напряжение.

Следующим по значимости для настройки синхронизации является уровень запуска, задаваемый ручкой «Уровень» (LEVEL). Плавно вращая ее из одного крайнего положения в другое, нужно добиться устойчивого изображения. Чаще всего это получается при среднем положении этой ручки.

Положение переключателя «Полярность» (SLOPE) на начальном этапе настройки синхронизации может быть произвольным.

Необходимо по полученному изображению подстроить яркость и фокусировку луча. Яркость изображения не должна быть излишней, так как при этом его линия будет слишком толстой, что увеличит погрешность измерений по изображению на экране; кроме того, будет сокращен срок службы люминофора. Хорошо сфокусированный луч обеспечит минимальную толщину линии, что уменьшит погрешность измерений.

После начальной настройки синхронизации развертки и уточнения по изображению на экране параметров исследуемого напряжения следует подобрать уточненные положения всех органов управления, обеспечивающие решение конкретной поставленной задачи.

4.2. Измерение амплитудных параметров напряжений

Измерение амплитудных параметров напряжений с помощью осциллографа проводится методом калиброванного коэффициента отклонения.

Коэффициент отклонения – это вертикальный масштаб изображения на экране, связывающий значение напряжения на входе тракта вертикального отклонения и вызванное им отклонение луча по вертикали.

Размерность коэффициента отклонения – В/дел, мВ/дел (дел – это высота клетки шкалы экрана ЭЛТ).

Изменение чувствительности тракта вертикального отклонения (ТВО) – это изменение коэффициента отклонения: чем выше чувствительность, тем меньше (!) коэффициент отклонения.

Все осциллографы имеют набор калиброванных коэффициентов отклонения, числовые значения которых образуют ряд вида 1; 2; 5; 10; 20, 50, 100 и т.д. Эти значения указываются для всех положений переключателя чувствительности ТВО. Обычно в осциллографе предусматривается и плавная регулировка чувствительности ТВО, которая позволяет устанавливать любой некалиброванный коэффициент отклонения в диапазоне между соседними калиброванными. Но для получения калиброванного коэффициента отклонения ручка плавной регулировки чувствительности должна быть в определенном зафиксированном положении (обычно в крайнем по часовой стрелке).

Суть метода калиброванного коэффициента отклонения заключается в измерении вертикального геометрического размера осциллограммы и умножении его на известный коэффициент отклонения.

Порядок проведения измерения амплитудных параметров напряжений с помощью осциллографа:

1. Проверяется калиброванность коэффициентов отклонения ТВО. Для этого с выхода калибратора, встроенного в осциллограф, на вход ТВО подается периодическое импульсное образцовое напряжение (меандр с известными размахом и частотой) и контролируется, получается ли при этом на экране осциллографа изображение требуемого размаха по вертикальной оси. Если отклонение от требуемого размаха превышает допустимое значение (обычно 1…2 %), то осциллограф нужно ремонтировать.

Если на входе ТВО используется щуп с компенсированным делителем напряжения и переключатель на нем установлен в положение «х10» (включено деление напряжения в 10 раз), то необходимо убедиться, что при подключении входа щупа к выходу калибратора изображение на экране имеет вид последовательности прямоугольных импульсов с плоскими вершинами. Если вершины импульсов не плоские, то сначала проводится подстройка компенсированности делителя напряжения (в режиме «х10» подбирается положение ротора подстроечного конденсатора щупа до получения импульсов с максимально плоскими вершинами), а затем – проверяется калиброванность коэффициентов отклонения ТВО со щупом.

Если будут использоваться несколько входов ТВО, то перечисленные выше операции повторяются для каждого из входов.

После проверки калиброванности коэффициентов отклонения ТВО его вход отключается от выхода калибратора.

2. Устанавливается калиброванный коэффициент отклонения , необходимый для измерения амплитудного параметра напряжения (например, его размаха).

3. На вход ТВО подается измеряемое напряжение, настраивается синхронизация, подбираются уточненные коэффициент отклонения и масштаб изображения по горизонтали и на осциллограмме определяется в делениях шкалы экрана вертикальный размер , соответствующий измеряемому параметру (высота изображения, если измеряется размах).

4. Вычисляется точечная оценка измеряемого параметра напряжения по формуле

.

(4.1)

5. Определяется погрешность измерения.

Погрешность измерения напряжений данным методом нужно определять как погрешность косвенных измерений, так как напряжение находят путем вычислений после измерения .

Относительную погрешность измерения напряжения для результата, вычисляемого по формуле (4.1), при малых значениях относительной погрешности калиброванного коэффициента отклонения и относительной погрешности определения размера , можно вычислить по формуле

,

(4.2)

то есть результирующая относительная погрешность измерения напряжений данным методом складывается из относительной погрешности коэффициента отклонения (погрешности меры) и относительной погрешности определения вертикального размера по шкале экрана (погрешности сравнения).

Относительная погрешность калиброванного коэффициента отклонения указывается в технических характеристиках осциллографа. Следует иметь в виду, что должны выполняться указанные там же ограничения на неинформативные параметры измеряемого напряжения. Например, при измерении размаха гармонического напряжения его частота не должна выходить за определенные границы.

Типичные значения лежат в пределах (3…5) %.

Относительную погрешность определения размера необходимо определить самостоятельно, учитывая следующее.

Процесс определения вертикального размера осциллограммы исследуемого напряжения включает в себя совмещение начальной точки измеряемого отрезка (например, нижнего его края) с некоторой линией (риской) вертикальной шкалы экрана и определение положения конечной точки измеряемого отрезка (верхнего его края) на этой же шкале. При этом необходимо учитывать толщину линии луча, то есть определять размер по одноименному краю луча (например, по нижнему) и вверху, и внизу измеряемого отрезка.

При хорошей фокусировке луча и наличии вертикальной беспараллаксной шкалы (на внутренней поверхности экрана ЭЛТ) с разделением каждой клетки на 5 отрезков по 0,2 дел, можно добиться, в лучшем случае, абсолютной погрешности сравнения не более 0,05 дел. Однако часто принимают = 0,1 дел.

После оценки значения относительная погрешность (в процентах) может быть оценена по формуле

.

(4.3)

Отсюда следует, что для увеличения точности измерения напряжения нужно добиваться возможно большего значения (но избегая при этом выхода изображения за пределы экрана).