Лаба №1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ТУСУР)

Кафедра компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП)

Отчет по лабораторной работе №11 по

дисциплине: "Метрология и технические измерения"

«применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов»

	Выполнили: студенты гр. З-66 __________ Коновалова А.В. ______________ Чиркин О.Д. ____________ Шерстюк П.В. «____» ____________2019 г.
	Проверил: старший преподаватель кафедры КСУП ____________ К. К. Жаров «____» ____________2019 г.

Томск 2019

Введение

Цель работы: целью работы является изучение устройства универсального осциллографа и методов измерения параметров электрических сигналов.

2.Основные положения

Упрощенная структурная схема осциллографа (рисунок 2.1) состоит из двух каналов формирования сигналов по координатам X и Y и канала Z, предназначенного для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки. Канал вертикального отклонения, предназначенный для передачи исследуемого сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ, состоит из последовательно соединенных аттенюатора (ослабителя) АТТ и усилителя Y. Такое соединение необходимо для расширения динамического диапазона исследуемых сигналов. Таким образом, отклонение луча l_y на экране будет пропорционально напряжению подаваемого на вход Y сигнала и будет характеризоваться коэффициентом отклонения K_откл, используя который можно определить амплитуду (размах) входного сигнала: U_y = K_откл⋅l_y . Коэффициент отклонения имеет фиксированные значения и размерность Вольт/дел. и указан на положениях переключателя входного аттенюатора. Эти фиксированные значения справедливы только при максимальном, плавно регулируемом усилении усилителя.

Рисунок 2.1 - упрощенная структурная схема осциллографа.

Канал горизонтального отклонения выполняет две функции: развертывание сигнала пропорционально времени и отклонение луча любым сигналом, поданным на вход X. В первом случае на горизонтальные пластины подается сигнал от генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 3.1) при положении 1 переключателя П2. В этом случае луч по оси X передвигается прямо пропорционально времени, позволяя наблюдать на экране сигнал y(t). Временной масштаб развертки характеризуется крутизной наклона пилообразного напряжения и регулируется переключателем длительности развертки с указанием численного значения K_разв, имеющего размерность время/дел., с помощью которого можно определить отрезок времени по формуле τ = K_разв⋅ l_x (3.2) Важным условием неподвижного изображения наблюдаемого на осциллографе сигнала является синхронизация частоты развертывающего напряжения и частоты исследуемого сигнала. При внутренней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 1) входной сигнал поступает на ГПН, осуществляя синхронность развертки. При внешней синхронизации (переключатель П1 поставлен в положение 2) синхронизирующий сигнал должен быть подан извне на гнездо «ВНЕШН. СИНХР.» При этом ручкой на осциллографе «УРОВЕНЬ СИНХРОНИЗАЦИИ» следует отрегулировать неподвижность изображения на экране. Особое место в работе осциллографа представляет режим внешнего запуска, используемого, как правило, для наблюдения импульсных процессов по длительности много меньших их периода повторения (импульсы большой скважности). В этом режиме запуск развертки осуществляется подачей на вход «ВНЕШН.» синхроимпульса, предшествующего наблюдаемому сигналу на некоторый промежуток времени, устанавливаемый обычно в стандартных импульсных генераторах как «ЗАДЕРЖКА». Длительность развертывающего сигнала ГПН устанавливается сравнимой с длительностью наблюдаемого импульсного процесса, что позволяет проводить наблюдение и измерение параметров короткого импульсного процесса, каким является, в частности, фронт импульса. В случае использования канала Х для подачи любого сигнала переключатель П2 устанавливается в положение 2. В разных осциллографах эта операция производится по-разному, что всегда отражено в технических описаниях осциллографа. При этом внешний сигнал подается на ВХОД Х. Канал Z используется для модуляции яркости свечения луча, применяемой для подсвета прямого хода развертки, создания меток времени, электронной лупы и т.д. и т.п. На «ВХОД Z» для управления яркостью луча можно подать внешний сигнал, но при этом частота подаваемого сигнала должна быть когерентна частоте исследуемого сигнала, а значит и частоте развертки.

3.Результаты работы и их анализ

3.1 Определение верхней граничной частоты полосы пропускания канала вертикального отклонения.

Характеристики сигнала №1 подаваемого на вход осциллографа: U_д = 5 В, f₁ = 1 кГц.

Настройки осциллографа: К_откл = 2 В/дел, K_разв = 0,5 мс/дел.

Измеренное амплитудное напряжение U_m = 7,2 В.

Согласно задания, увеличивая частоту генератора, необходимо уменьшить отклонение на экране осциллографа в раз, то есть сделать его равным действующему значению подаваемого на вход напряжения U_д. Это происходит при частоте генератора f₂ = 6,4 МГц. Данная частота является верхней граничной частотой f_в = 6,4 МГц.

Согласно полученных данных, вычисляем время нарастания фронта:

t_н = = = 54,69 нс

3.2 Измерение параметров импульсного сигнала.

Параметры подаваемого сигнала: U_m = 40 В, f_п = 1,5 кГц, t = 100 мкс.

Настройки осциллографа: К_откл = 1 В/дел, K_разв = 0,1 мс/дел.

Измеренное амплитудное напряжение импульса:

U_y = l_y * К_откл = 5,2 * 1 = 5,2 В

Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо произвести оценку точности измерений.

Относительная погрешность измерения амплитуды импульса:

δU_имп. = = = 0,03 = 3%

Абсолютная погрешность измерения амплитуды импульса:

∆ U_имп. = δU_имп. * U_y = 0,03 * 5,2 = ±0,156 В

Таким образом результат измерения:

U_изм = (5,2 ± 0,156) В

Измеренный период импульса:

T = l_X * K_разв = 6,8 * 0,1 = 0,68 мс

Измеренная длительность импульса:

τ = l_x * K_разв = 1 * 0,1 = 0,1 мс

Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо произвести оценку точности измерений.

Относительная погрешность измерения длительности импульса:

δτ_имп. = = = 0,05 = 5%

Абсолютная погрешность измерения длительности импульса:

∆ τ_имп. = δτ_имп. * τ = 0,05 * 0,1 = ±0,005 мс

Таким образом результат измерения:

τ_изм = (0,1 ± 0,005) мс

Относительная погрешность измерения периода повторения импульса:

δТ_имп. = = = 0,03 = 3%

Абсолютная погрешность измерения периода повторения импульса:

∆ Т_имп. = δТ_имп. * Т = 0,03 * 0,68 = ±0,02 мс

Измеренная длительность переднего фронта импульса:

τ_{ф изм} = K_{разв *} М_{Х *} l_x = 0,2 * 0,1 * 3,2 = 64 нс

где М_Х - множитель развёртки.

Истинная длительность переднего фронта импульса:

τ_ф = = = 33,24 нс

3.3 Определение частоты повторений импульса

Определение частоты повторений импульса по результатам предыдущих измерений:

F = 1/T = 1/(0,68*10^-3) = 1470 Гц

Относительная погрешность частоты повторений импульса:

δF = δT = 0,03 = 3%

Абсолютная погрешность частоты повторений импульса:

∆F = δF * F = 0,03 * 1470 = 44,1 Гц

Измерение частоты повторений импульса методом интерференционных фигур:

F_имп.1 = F_г1 =1500,3 Гц;

F_имп.2 = 2 F_г2 , где F_имп.2 = 1499,998 Гц; F_г2 = 749,999 Гц;

F_имп.3 = 3 F_г3 , где F_имп.3 = 1500,183 Гц; F_г3 = 500,061 Гц;

Среднее арифметическое из трёх измерений:

F_имп. = (F_имп.1 + F_имп.2 + F_имп.3) = (1500,3 + 1499,998 + 1500,183) = =1500,16 Гц

Результаты измерения частоты и периода повторения импульсов с помощью частотомера:

F_имп. = 1,51 кГц

Т = 0,666223 мс

Результаты измерения периода импульса сведены в Таблицу 1.

Параметр	Метод калиброванной развёртки	С использованием частотомера	Метод сравнения
Частота повторения, кГц	1,47	1,51	1,5
Погрешность измерения, кГц	0,00441	0,0001	0,0303

Заключение:

В данной работе был изучены принцип работы универсального осциллографа и методы измерения параметров электрических сигналов с его помощью. В ходе выполнения лабораторной работы было установлено, что применение аналогового осциллографа для определения частоты повторения импульса является нецелесообразным. Для измерения длительности импульса и длительности переднего фронта осциллограф является безальтернативным прибором, но для получения более точных результатов лучше использовать цифровой осциллограф, поскольку он позволяет отказаться от использования геометрических средств измерений. Метод интерференционных фигур является самым лучшим из всех опробованных, поскольку погрешность осциллографа не влияет на результат измерений.

2