ІКТА / КБ-24 / Метрологія Гамула / Лаби умови / Лабораторна робота №15

Лабораторна робота № 15

ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ЕЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛОГРАФА

Мета роботи: навчитися досліджувати за допомогою електронного осцилографа основні параметри електричних сигналів (амплітуду, частоту, період) і часові інтервали.

1.ПЛАН РОБОТИ

1.1.Підготовка до вимірювального експерименту.

Опрацювати теоретичний матеріал:

1)вивчити будову і принцип дії електронного осцилографа [1; с. 186–

192];

2)вивчити принцип дії електронно-променевої трубки [1; с. 191];

3)вивчити принцип отримання зображення на екрані електроннопроменевої трубки [1; с. 189].

Розв’язати задачу:

Виходячи із заданих значень електричних параметрів досліджуваного сигналу, визначити необхідне значення ціни поділки каналу вертикального та горизонтального відхилення.

1.2. Проведення вимірювального експерименту.

Провести підготовку осцилографа до проведення вимірювань.

Від генератора сигналів подати на вхід каналу вертикального відхилення осцилографа досліджуваний сигнал.

Записати результати вимірювань у таблицю звіту.

1.3. Опрацювання результатів експерименту.

На підставі отриманих експериментальних даних визначити:

1)результат вимірювання параметру інтенсивності електричного

сигналу;

2)результат вимірювання часового параметру електричного сигналу;

3)похибки отриманих результатів вимірювання.

1.4. Оформити і захистити звіт.

262

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

2.ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

2.1.Спрощений принцип роботи електронного осцилографа

Влабораторній роботі використовується аналоговий електронний осцилограф типу CQ5010C і всі подальші викладки стосуються осцилографа саме цього типу.

Основні технічні характеристики осцилографа CQ5010C/D

Електронний осцилограф є універсальним вимірювальним приладом, що використовується для візуального спостереження на екрані за електричними сигналами і вимірювання їх параметрів. Основна функція осцилографа полягає у відтворенні в графічному вигляді електричних коливань (осцилограм) в прямокутній системі координат. Найчастіше за допомогою осцилографа спостерігають залежність напруги від часу, причому, віссю часу виступає вісь абсцис, а по осі ординат відкладається напруга сигналу. За допомогою осцилографа можна спостерігати періодичні неперервні та імпульсні сигнали, неперіодичні і випадкові сигнали, одиничні імпульси і здійснювати оцінку їх параметрів.

За осцилограмами можуть бути виміряні частота та фазовий зсув, параметри модульованих сигналів, часові інтервали. Широке використання електронних осцилографів зумовлено можливістю їх використання в смузі частот від нуля до десятків гігагерц, при напрузі сигналу від десятків мікровольт до сотень вольт.

263

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

Залежно від призначення електронні осцилографи підрозділяють на універсальні, швидкісні, запам’ятовуючі, стробоскопічні та спеціальні. Хоча перелічені види осцилографів відрізняються схемними та конструктивними рішеннями, але принцип отримання осцилограм для них є загальним. Принцип роботи осцилографа відображає рис.15.1 [1; с. 132].

Рис. 15.1. Структурна схема електронного осцилографа.

ПН – подільник напруги; ПY, ПX – підсилювачі каналів Y та Х відповідно; ГР – генератор розгортки; ЛЗ – лінія затримки; НР – нитка розжарювання; К – катод; С – сітка; А1, А2 – аноди; ВВП – вертикально відхиляючі пластини; ГВП – горизонтально відхиляючі пластини; Е – екран; ЕПТ – електронно-променева трубка.

Основним вузлом осцилографа є ЕПТ, що виготовлена у вигляді скляної вакуумної колби, всередині якої розміщена електронна гармата, відхиляючі пластини (ВВП, ГВП) та люмінесцентний екран Е. Сформований електронною гарматою вузький електронний пучок, потрапляючи на екран, утворює пляму, що світиться. Електронний промінь проходить між двома парами взаємно перпендикулярних пластин (ВВП Y, ГВП X). Якщо до цих пластин прикласти електричну напругу, то між ними буде існувати електричне поле, яке й викличе відхилення променя в той чи інший бік. Якщо ж сфокусувати електронний промінь так, щоб світлова пляма розмістилась в точці “0” (рис.15.2), а потім до пластин Y прикласти досліджувану напругу,

264

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

наприклад, синусоїдну, а до пластин Х - пилкоподібну, то під дією цих двох напруг промінь трубки накреслить на екрані осцилограму, що відображатиме залежність :

U t Um sin t

Після спаду пилкоподібної напруги до нуля світлова пляма повернеться в точку “0”. Пилкоподібна напруга формується так, щоб час tзв зворотного ходу розгортки був у багато разів менший, ніж час tпр прямого ходу. За такої умови зворотний хід променя на екрані трубки є непомітним. Для того щоб зображення досліджуваної напруги відображало істинний характер сигналу, необхідне виконання двох умов: перша – відхилення по осі X та осі Y повинні бути прямопропорційними до напруги, прикладеної до відповідної пари пластин; друга – тривалість прямого ходу tпр розгортки повинна дорівнювати періоду досліджуваної напруги Т, або кратною йому:

tпр m T ,

де m – ціле додатне число.

Тоді на екрані осцилографа буде спостерігатися один період, або m періодів досліджуваної напруги. Якщо повернутись до структурної схеми (рис. 15.1) осцилографа, то помітимо, що крім ЕПТ вона містить канал вертикального відхилення променя (канал Y) та канал горизонтального відхилення променя (канал Х).

Рис. 15.2. Отримання зображення на екрані ЕПТ

Каналом Y надходить досліджуваний сигнал u(t), що викликає вертикальне відхилення променя. Цей канал містить: ПН для послаблення великих сигналів, ПY для підсилення слабких сигналів; лінію затримки ЛЗ для

265

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

невеликої часової затримки сигналу. Основною характеристикою каналу Y є коефіцієнт відхилення SU, що має розмірність [напруга/под.], і вказує на те, при якій вхідній напрузі промінь зміститься у вертикальному напрямку на одну поділку.

Каналом Х на горизонтально відхиляючі пластини ЕПТ надходить напруга розгортки, що генерується ГР і змінюється згідно з законом (пилкоподібна напруга):

U p t B t

Залежно від співвідношення початкових фаз досліджуваної та напруги розгортання, що називається синхронізацією, зображення сигналу на екрані різнитиметься початковою фазою.

Канал Х містить підсилювач Пх, з виходу якого вихідна напруга надходить на пластини горизонтального відхилення. Основною характеристикою каналу Х є коефіцієнт розгортки St, що має розмірність [час/под.], і вказує на те, за скільки часу промінь переміщується у горизонтальному напрямку на одну поділку.

Впроцесі вимірювання осцилографом значення вимірюваної величини знаходять за значеннями Ly чи Lx на зображенні електричного сигналу на екрані ЕПТ. На рис. 15.2, як приклад, показані Ly та Lx, що відповідають мінімальному значенню досліджуваної напруги та тривалості її від’ємного значення відповідно.

Всхемі осцилографа передбачені пристрої керування яскравості та фокусування світлового променя. Передня панель осцилографа з позначеними органами керування зображена на рис. 15.3.

2.2. Аналіз точності вимірювань

Похибка вимірювання за допомогою електронного осцилографа містить дві основні складові – похибку генератора розгортки р і похибку відліку в:

де р,гр – граничне значення похибку генератора розгортки, яке в більшості сучасних осцилографів становить 5%;в,гр – граничне значення похибки відліку, яке визначається товщиною лінії

променя l = 0,7 мм і горизонтальним розміром екрану l, тобто

266

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

Рис. 15.3. Передня панель осцилографа з позначеними органами керування.

267

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

3.ПРАКТИЧНІ ВКАЗІВКИ

3.1.Практичні вказівки до розв’язування задачі

Аналіз умови задачі. Аналіз задачі проведемо на прикладі вимірювання максимального значення імпульсу та частоти повторення імпульсної послідовності.

Задача вважається розв’язаною, якщо було обчислене значення ціни поділки каналу вертикального і горизонтального відхилення (коефіцієнт відхилення та коефіцієнт розгортки);

Приклад 15.1. Нехай досліджуваний сигнал представляє собою меандр з амплітудою імпульса |Ui max| ≈ 3 В та частотою повторення fп ≈ 400Гц.

Для отримання зображення напруги розмахом дещо меншим за 8 поділок (максимальний вертикальний розмір екрана) коефіцієнт відхилення SU повинен дорівнювати

Коефіцієнт 2 в чисельнику останнього виразу враховує рівні для меандру значення додатного і від’ємного імпульсів. Значення коефіцієнта відхилення вибираємо з існуючого ряду: SU = 0.5 В/под.

де число 10 відповідає десятьом поділкам довжини робочої частини екрана. Значення коефіцієнта розгортки вибираємо з існуючого ряду: St = 0.5 мс/под.

3.2.Практичні вказівки до виконання експерименту

1.Підготовка електронного осцилографа до вимірювань

Перед ввімкненням електронного осцилографа органи керування встановити в такі положення:

“INTEN” (“ЯСКРАВІСТЬ”) 2 – в середнє; “FOCUS” (“ФОКУС”) 16 – в середнє;

268

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

перемикач входу 13 – в положення “DC”;

перемикач коефіцієнта відхилення вхідного атенюатора 4

(подільника) “Volts/Div” – в положення “1V” (або інше з розв’язку задачі);

11 – в положення “INT” (перемикач “EXT/INT” – відпущений);

Всі інші органи регулювання на передній панелі попередньо можуть бути в довільному положенні. Після здійснення попередньої підготовки

увімкнути прилад за допомогою вимикача 1 .

Через 2-3 хвилини після ввімкнення слід відрегулювати яскравість

свічення і фокусування променя. За допомогою ручок 3 та 8 встановити розгортку в центрі екрану.

Дуже важливим при проведенні вимірювань є забезпечення стабільності зображення. Отримати стабільне зображення можна шляхом плавного

повертання ручки “LEVEL” (“РІВЕНЬ”) 9 з одного крайнього положення в інше.

2.Вимірювання рівнів сигналу

Зметою забезпечення максимальної точності вимірювання слід дотримуватися наступних правил:

зображення сигналу на екрані повинно мати максимально можливий розмір і бути неспотвореним. Це досягається вибором відповідного

положення перемикача “Volts/Div” 4 ;

вимірювання проводити з врахуванням товщини лінії променя. Безпосередньо для вимірювання досліджуваний сигнал слід подати на

вхід осцилографа 14 . Дотримуючись вище наведених настанов,

269

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

стабілізувати зображення на екрані. При цьому стабілізацію здійснювати після вибору необхідного положення перемикача “Time/Div” 7 , при якому зображення містить 3...5 періодів досліджуваного сигналу.

Значення вимірюваної напруги Uх обчислюється згідно з виразом:

Uх=Ly∙SU,

де Ly – розмір зображення по вертикалі виражений в поділках;

SU – коефіцієнт відхилення В/под (число, напроти якого знаходиться позначка на перемикачі “Volts/Div” 4 ).

При дослідженні сигналу, що містить постійну складову, слід звернути

увагу на положення перемикача 13 . В положенні “натиснутий” підсилювач вхідного сигналу є підсилювачем постійного струму (DC), а в положенні “відпущений” – підсилювачем змінного струму (AC). На рисунках 15.4 та 15.5 видно, як виглядає зображення імпульсної послідовності при DC та AC режимах роботи вхідного підсилювача каналу вертикального відхилення.

Рис. 15.4. Зображення імпульсної послідовності при натиснутій

кнопці DC-AC 13 . Підсилювач вертикального відхилення у режимі підсилювача постійного струму

270

Лаб. р. № 15. Вимірювання параметрів електричних сигналів за допомогою електронного осцилографа

Рис. 15.5. Зображення імпульсної послідовності при відпущеній

кнопці DC-AC 13 . Підсилювач вертикального відхилення у режимі підсилювача змінного струму

Приклад 15.2. (рис. 15.6). Нехай максимальне значення напруги імпульсу на екрані становить Ly=3 поділки, а позначка перемикача знаходиться навпроти числа “1V”. Тоді Uх = (3 под.∙1В/под) = 3 В.

Описаний спосіб дозволяє виміряти напругу з максимальним значенням до 30В (при 6 поділках зображення). Більші значення напруги вимірюють за допомогою зовнішнього подільника напруги, що входить до комплекту осцилографа. За його допомогою вимірювана напруга попередньо зменшується в 10 разів. Це дозволяє збільшити верхню межу вимірювання напруги до 300 В.

3. Вимірювання частоти (періоду) сигналу

Частоту синусоїдного сигналу f ( або частоту імпульсної послідовності) можна визначити, вимірявши її період Т, з співвідношення: f = 1/T.

На вхід осцилографа подати досліджуваний сигнал, одержати стабільне і неспотворене його зображення (див. п. 2). Найвища точність вимірювання періоду буде досягнута в тому випадку, коли зображення міститиме 4...6 періодів (необов’язково ціле число). Розмір зображення встановити ручкою

“Time/Div” 7 , при цьому ручку “VAR” (“ТРИВАЛІСТЬ”) 6 – в крайнє праве положення. Обчислити тривалість періоду за формулою:

T= Lx ∙St/n,

271