Лабораторный практикум Метрология

2.2.2. Погрешность установки опорного значения выходного напряжения генератора определяется методом сравнения показания индикатора выходного уровня генератора с показаниями образцового вольтметра.

Измерения проводятся в трех отметках шкалы «15 V» индикатора на частотах 20 и 1000 Гц и 200 кГц следующем порядке:

- подключить к гнезду «ВЫХОД 1» генератора образцовый вольтметр;

-установить частоту генератора 1000 Гц;

-установить аттенюатор в положение «15 V»;

-установить ручкой «РЕГУЛИРОВКА ВЫХ.» выходное напряжение генератора поочередно в трех отметках шкалы «15 V»;

-снять показания образцового вольтметра;

-определение погрешности установки опорного значения выходного напряжения проводить дважды: при подходе к измеряемой величине справа и слева. Ни одно из полученных при этом значений не должно отличаться от номинального более чем на допустимую погрешность, указанную в технических данных на прибор.

Результат измерения каждой поверяемой отметки определяется как среднее арифметическое двух измерений.

Приведенная погрешность установки опорного значения выход-

где Uн – номинальное опорное значение выходного напряжения по шкале индикатора, В; Uизм – измеренное опорное значение выходного напряжения генератора, В; Uв.п – верхний предел поверяемой шкалы, В.

Проделать измерения на частотах 20 Гц и 200 кГц.

Значения отметок шкалы, допустимые значения погрешностей и границы показаний образцового вольтметра, рассчитанные в соответствии с допускаемой погрешностью, приведены в табл. 2.5.

Результаты измерений предоставить в виде табл. 2. 6.

21

2015

9

3

Пример расчета класса точности поверяемого прибора

Пусть в результате проведенных измерений и вычислений получено значение γпр = 1,45. В качестве образцового прибора используется прибор, имеющий класс точности 0,5.

Тогда получаем:

γпр.действ = γпр + γкоп = 1,45 + 0,5 = 1,95.

В этом случае класс точности поверяемого прибора будет равен

2,5, так как 1,5 < 1,95 < 2,5.

22

Отчет по работе

Отчет должен содержать:

1)название и цель работы;

2)краткие теоретические сведения и расчетные формулы;

3)результаты измерений;

4)результаты вычислений, представленные в виде таблиц 2.2,

2.3и 2.6;

6)вывод по работе.

Контрольные вопросы

1.Какой прибор называют образцовым? Что называют мерой измерения?

2.Для чего проводится поверка приборов (мер)?

3.Какие бывают виды поверок и каково их назначение? Какие средства измерения подлежат обязательной Государственной поверке?

4.На сколько классов делятся электроизмерительные приборы по степени точности? Как определить класс точности прибора?

23

Лабораторная работа 3

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОСЦИЛЛОГРАФА И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ

Цель работы: ознакомиться с методикой управления электронным осциллографом и измерением амплитудно-временных параметров сигналов.

Теоретические сведения

Современные осциллографы представляют собой сложные электронные приборы, позволяющие производить качественную и количественную оценку исследуемого явления. Осциллограф может применяться при исследованиях в электронно-вычислительной технике, электронике, связи, приборостроении, ядерной физике и т.д.

По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов осциллографы подразделяются на одноканальные и многоканальные. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов достигается или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора (ЭК).

Одним из узлов осциллографа является электронно-лучевая трубка, основными элементами которой служат две пары пластин. Пластины с помощью специальной развертки отклоняют луч в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Развертка имеет вид линии, которую чертит луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Если развертывающее напряжение приложено к одной паре отклоняющих пластин (обычно к пластинам Х), то развертку называют по форме развертывающего напряжения (например, линейной или синусоидальной). Если развертывающие напряжения приложены к отклоняющим пластинам Х и Y трубки осциллографа одновременно, то название развертки дается по ее форме (например, круговая или эллиптическая).

24

Наиболее широко используется линейная развертка, создаваемая пилообразным напряжением Up генератора развертки. Для обеспечения различных режимов работы осциллографа существуют несколько видов разверток. Рассмотрим некоторые из них.

Автоколебательная развертка представляет собой развертку,

при которой генератор развертки периодически запускается при отсутствии сигнала запуска на его входе.

Ждущей разверткой называется развертка, при которой генератор развертки запускается только с помощью сигнала запуска.

Однократная развертка – это развертка, с помощью которой генератор развертки запускается только один раз с последующей блокировкой.

Основными параметрами, характеризующими работу электронного осциллографа, являются частотная характеристика и его чувствительность.

Частотная характеристика показывает, в пределах какой полосы частоты воспроизведение формы исследуемых сигналов будет происходить с минимальными искажениями, а под полосой частот или полосой пропускания усилителя подразумевается диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления уменьшается не более чем в 1,4 раза или на 3 дБ.

Исследуемый импульс характеризуют параметры, показанные на рис. 3.1:

hа – амплитуда импульса (без учета выброса);

hв – выброс, кратковременный по отношению к длительности импульса, т.е. подъем фронта, превышающий амплитуду импульса; tн – время нарастания в интервале от 0,1 до 0,9 амплитудного

значения;

tсп – время спада в интервале от 0,9 до 0,1 амплитудного значения;

tи – время между началом и концом импульса, отсчитываемое обычно на уровне 0,5 амплитуды (но в некоторых случаях на уров-

не 0,7);

процентах.

25

Рис. 3.1

Длительность импульсов определяется на уровне 0,5 от амплитуды, а длительность фронта импульса – от 0,1 до 0,9 от амплитуды. В этом же диапазоне (от 0,1 до 0,9) рассматривается и длительность среза импульса.

Прямоугольным импульсом называется импульс, у которого плоская часть вершины составляет не менее 0,7 от длительности импульса, измеренной на уровне 0, 5 амплитуды.

Число калибрационных меток позволяет оценить все промежутки, показанные на рис. 3.1. За одну калибрационную метку на сетке экрана осциллографа принимается темный промежуток и светлая черта (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Структура осциллографа. Рассмотрим упрощенную структурную схему универсального осциллографа (рис. 3.3). В схеме этого осциллографа кроме электронно-лучевой трубки можно выделить следующие функциональные блоки: каналы вертикального и горизонтального отклонений, устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания.

26

В осциллографе исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющуюся систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки.

Канал вертикального отклонения луча служит для передачи на пластины Y ЭЛТ исследуемого сигнала uc(t), подводимого к входу Y. Канал вертикального отклонения луча содержит аттенюатор, линию задержки и усилитель Y. Аттенюатор позволяет ослабить сигнал uc(t) в определенное число раз, а регулируемая линия задержки обеспечивает небольшой временной сдвиг сигнала на пластинах Y ЭЛТ относительно начала развертывающего напряжения Ux, что важно для ждущего режима. Усилитель Y обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом uc(t).

В свою очередь, усилитель Y канала вертикального отклонения луча содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления Кус и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды. Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления Кус1. При этом цена деления (В/дел) масштабной сетки на экране осциллографа без учета аттенюатора определяется формулой:

с= Uк ,

Кус1nк

где Uк – напряжение на выходе калибратора; Кус1 – коэффициент усиления усилителя канала Y при одном фиксированном положении регулировки; nк – число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала на экране ЭЛТ.

Основные характеристики канала вертикального отклонения:

•верхняя граничная частота (полоса пропускания) (порядка 50 МГц и более);

•минимальный и максимальный коэффициенты отклонения и развертки;

28

•входное сопротивление (1 МОм) и входная емкость (12–35

пФ);

•погрешности коэффициентов отклонения и развертки (4–7 %). Во входной цепи канала вертикального отклонения включают

также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Канал горизонтального отклонения луча служит для создания горизонтально отклоняющего – развертывающего – напряжения Uх с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого к входу X.

Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом). Это достигается выбором уровня синхронизации, при котором запускается генератор развертки. Условием синхронизации является синхронизация напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кра-

тен периоду исследуемого сигнала: Тразв = пТс, где п = 1, 2, 3, 4,…; Tc – период сигнала.

Напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси Х. Это может привести к искажению сигнала.

Калибратор предназначен для формирования периодических импульсных сигналов с известной амплитудой, длительностью и частотой для калибровки осциллографа. Таким образом, обеспечиваются правильные измерения параметров исследуемого сигнала.

Управление осциллографом. Ручки регуляторов на лицевой панели устанавливают следующим образом: «Яркость» – в крайнее правое положение; «Фокус» – в среднее положение; «Усиление оси Y» – в нулевое положение»; «Усиление оси X» – на деления 2–3;

«Диапазон частот» – в положение 30-130; «Луч» и «Сеть» – в по-

ложение «Включено» (при этом загорается сигнальная лампа). Затем ждут 1–2 мин, после чего на экране должен появиться яркий штрих. Отсутствие штриха может быть вызвано отклонением его за

29

пределы экрана; для приведения луча в область экрана необходимо действовать влево и вправо ручками Y и X. Яркость луча следует уменьшить, а фокусировку отрегулировать до получения тонкого штриха. Переключатель синхронизации поставить на черту «Сеть» или «Внутр.», а регулятор амплитуды синхронизации – на деления

3–4.

Если рассматриваемый сигнал, поданный на зажимы Y, изучают в функции времени, то ослабитель следует поставить в одно из трех положений в соответствии с величиной поданного на Y напряже-

ния. Регулируя «Диапазон частоты» развертки и «Частоту плав-

но», добиваются полной остановки на экране изучаемой кривой. Если изучают заданную величину не в функции времени, а в

функции другой изменяющейся во времени величины, то переключатель «Диапазон частоты» следует поставить в положение «Выкл.», а на вход зажимов X необходимо подать второе напряжение, в функции которого изучают величину, поданную на зажимы Y. При этом на экране получаются фигуры Лиссажу. Не следует допускать остановку луча на месте во избежание прожигания экрана.

Принцип работы двухканального осциллографа. Двухка-

нальный осциллограф (рис. 3.4) дает возможность одновременно наблюдать и сравнивать на экране изображения двух сигналов одной и той же частоты либо кратных частот, измерять их амплитудные и временные параметры.

Осциллограф содержит два идентичных канала вертикального отклонения (рис. 3.4), в которые входят аттенюатор и предварительный усилитель. Линия задержки и оконечный Y-усилитель к каналам I и II подключаются с помощью электронного коммутатора. Канал горизонтального отклонения содержит схему синхронизации и запуска развертки, генератор развертки и оконечный X- усилитель. Сигналы с выходов каналов поступают на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Для проверки коэффициентов отклонения «В/дел.» каналов I и II и коэффициента развертки «Время/дел.» канала горизонтального отклонения служит калибратор, который имеет внутренний и внешний выходы.

Аттенюатор – это частотно-компенсированный делитель напряжения, состоящий из RС-элементов, откалиброванный в коэффициентах отклонения «В/дел.».

30