Лабораторный практикум Метрология

Коммутатор представляет собой мультивибратор, управляет диодными ключами каналов I и II и имеет пять режимов переключения: «I», «II Y-X», «I ± II», «...», «→→».

На экране регистрируется один сигнал в следующих режимах: I – подключен только канал I;

II Y–X – подключен только канал II (выполняющий роль Y- канала, а развертывающее напряжение подается на канал I, выполняя роль Х-канала);

I ± II – подключены оба канала I и II (на экране регистрируется суммарный сигнал либо разностный, если предварительно инвертировать сигнал канала II);

... и → → – на экране наблюдаются два сигнала.

В поочередном (синхронном) режиме (→→) коммутатор работает от генератора развертки. Подключение каналов к оконечному усилителю происходит попеременно с частотой генератора развертки после каждого прямого хода развертки.

Изображения сигналов каналов I и II поочередно сменяют друг друга, но так часто, что на экране они наблюдаются одновременно (рис. 3.5, а). Этот режим является основным при измерениях (на частотах выше 1 кГц).

Рис. 3.5

Недостаток поочередного режима проявляется при исследовании синусоидальных и импульсных сигналов с низкой частотой повторения 150 Гц, так как глазу заметны редкие поочередные

32

мелькания изображений сигналов. Для низкого диапазона частот в осциллографе предусмотрен прерывистый (асинхронный) режим «...» работы коммутатора. В этом случае коммутатор работает с частотой 100 кГц от встроенного генератора, подключая каналы I и II к оконечному усилителю поочередно через каждые 5 мкс (за 10 мкс - оба канала). Прерывистое изображение сигналов состоит из штрихов (рис. 3.4, б). На экране осциллографа за фрагментом изображения первого сигнала следует фрагмент изображения второго сигнала (фрагменты следуют через каждые 5 мкс). Часть информации о форме сигнала при этом теряется.

Например, при периоде 50 мкс ( f = 20 кГц) будет зарегистрировано пять штрихов на каждом сигнале, а при периоде 5 мс ( f = = 200 Гц) сигнал будет практически непрерывным. Работу коммутатора в поочередном и прерывистом режимах иллюстрирует движение луча при медленной развертке 50 мс/дел. и отсутствии сигнала.

Генератор развертки работает в автоколебательном или ждущем режимах, переключатель режимов совмещен с регулятором «Уровень». Для исследования сигналов разных частот изменяют масштаб «Время/дел.» горизонтальной оси, что достигается изменением частоты (периода) генератора развертки. Для уменьшения минимального коэффициента развертки и растягивания отдельных фрагментов сигнала используют множитель развертки Мр. Новый коэффициент развертки равен произведению установленного коэффициента развертки и множителя развертки Мр (1 или 0,2)

K'р = KрMp.

Цифровые осциллографы. Развитие техники точного осциллографирования привело к созданию универсального осциллографа нового типа – цифрового осциллографа (ЦО). Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10 %.

33

На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления. Кроме того, предусмотрены вывод информации с осциллографа на печать, запись оцифрованного входного сигнала на носители информации и другие функциональные возможности. Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

Цифровой осциллограф конструктивно представляет собой объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. На рис. 3.6 показана упрощенная структурная схема цифрового осциллографа. «Мозгом» цифрового осциллографа является контроллер или компьютер, который через органы управления обеспечивает связь осциллографа с пользователем, а также управляет всеми узлами осциллографа.

Рис. 3.6

Входной сигнал Y(t) через усилитель входного сигнала попадает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который с частотой, определяемой генератором развертки, производит оцифровку мгновенных значений входного сигнала. Частоту генератора развертки (частоту дискретизации) можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.

На выходе АЦП входной сигнал представлен дискретной последовательностью кодовых (цифровых) слов, которые записываются

34

в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Запись данных в ОЗУ осуществляется таким образом, что каждое новое значение вытесняет из ОЗУ наиболее старое по времени значение. Таким образом, если ОЗУ состоит из N ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится N последних кодовых слов.

Когда выбранный для синхронизации сигнал проходит через установленный уровень запуска и изменяется в выбранном направлении, блок синхронизации сообщает об этом контроллеру. Контроллер производит оцифровку следующих М точек (М < N), а затем останавливает генератор развертки. Последние записанные в ОЗУ М точек отображаются на экране дисплея. Каждой ячейке ОЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её горизонтальная координата определяется номером ячейки, а вертикальная кодовым словом, находящимся в этой ячейке. Таким образом, пользователь видит на дисплее изображение входного сигнала.

Так как число ячеек в ОЗУ больше, чем число точек на экране дисплея (N > М), то пользователь, может вывести на дисплей те ячейки ОЗУ, данные в которые были записаны до появления импульса запуска генератора развертки, а значит, пользователь может увидеть предысторию сигнала. Это называют «предзапуском». Также цифровые осциллографы позволяют «вытягивать» записанные в ОЗУ данные порциями, соответствующими ширине экрана, растягивать или же сжимать записанные данные на экране в соответствии с пожеланиями пользователя.

В последнее время все чаще встречаются модели цифровых осциллографов вообще не имеющих дисплея и каких-либо внешних органов управления. Они подключаются к персональному компьютеру и управляются пользователем через специализированные программы. Пользователь управляет всеми режимами работы осциллографа, а также наблюдает входные сигналы на экране персонального компьютера, что еще больше расширяет возможности по математической обработке исследуемых сигналов.

Цифровые осциллографы используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля (изучения) электрических сигналов - как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств (сред) на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал.

35

Задание

Измерить амплитуду, длительность, частоту и скважность импульса с помощью универсального осциллографа С1-65А.

Ход работы

1. Подготовить осциллограф к работе.

1.1. Собрать схему соединения генератора с осциллографом, показанную на рис. 3.7.

Рис. 3.7

1.2. Перед включением в сеть осциллографа и генератора импульсов (ГИ) ручки регуляторов установить в следующие положения:

-на генераторе ручки «ПЕРИОД ПОВТОРЕНИЯ», «ВРЕМЕННОЙ СДВИГ», «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ», «АМПЛИТУДА» установить

вкрайнее левое положение; тумблеры «1:2», «1:10», «1:100» – переключить в правое положение;

-на осциллографе переключатель «V/ДЕЛ.» поставить в положение «1» или «2»; ручку «ПЛАВНО» переключателя «V/ДЕЛ.» – в

положение « »; «УСИЛ.У» – в крайнее левое положение; переключатель «АТТЕН.СИНХРОН.» – в положение «Внутр.»; ручку «УРОВЕНЬ» – в крайнее правое положение. После этого тумблеры «СЕТЬ» на осциллографе и генераторе поставить в положение «Вкл.»; прогреть приборы в течение 3–5 мин, затем приступить к измерениям.

1.3. Подать на вход осциллографа импульс (длительность, частота следования, амплитуда и период повторения импульса зада-

36

ются преподавателем). Записать установленные на генераторе значения в табл. 3.1.

1.4. Получить на экране осциллографа крупное изображение одного импульса путем изменения длительности развертки (ручка «ВРЕМЯ/ДЕЛ.») и измерить амплитуду, длительность и время фронта импульса. Для измерения периода следования импульсов необходимо на экране получить изображение двух импульсов. Результаты измерений записать в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Установленные на генераторе значения

Период повторения импульса Т, мкс

Временной сдвиг импульса D, мс

Длительность импульса τ, мс

Амплитуда импульса А, В

Измеренные осциллографом значения

Амплитуда импульса, В

Длительность импульса, мкс

Период повторения импульса, мкс

Расчетные значения (косвенные измерения)

Частота следования импульсов f, кГц

Скважность импульсов

Погрешности измерений

Относительная погрешность измерения амплитуды, %

Относительная погрешность измерения длительности, %

2. Измерить амплитуду импульса.

2.1.Измерить расстояние в делениях между крайними точками размаха сигнала (по вертикали).

2.2.Рассчитать действительное значение амплитуды импульса следующим образом: умножить расстояние, измеренное в п. 2.1, на показание переключателя «V/ДЕЛ.», учитывая делитель (1:10 или

1:1).

37

Амплитуда импульса в вольтах равна

U = hKоD,

где h – амплитуда импульса в делениях вертикальной оси экрана, дел.; Kо – коэффициент отклонения, В/дел.; D – коэффициент деления делителя.

Пример. Предположим, что размах сигнала по вертикали составляет 4,8 деления с использованием делителя 1:10 и установкой переключателя «V/ДЕЛ.» на 0,5. Размах сигнала в вольтах равен

4,8 дел. × 0,5 В/дел. × 10 = 24 В.

3. Измерить длительности (τ) импульса и периода повторения

(T).

3.1. Измерить горизонтальное расстояние между точками 1 и 2 (рис. 3.8). Ручка «ПЛАВНО» переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» должна быть установлена в положение « ».

Рис. 3.8

3.2. Рассчитать действительное значение длительности импульса: умножить расстояние, измеренное в п. 3.1, на показание переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.». Если используется множитель развертки (растяжка), то результат нужно умножить на 0,1.

Длительность импульса равна

τ = lKр М,

где l – длительность импульса в делениях горизонтальной шкалы экрана, дел.; Kр – коэффициент развертки, мс/дел.; М – множитель развертки ( 0,1).

Пример. Допустим, что расстояние между измеряемыми точками составляет 5 делений, а переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» установлен на 0,1 мс, растяжка (×0,1) не применяется.

Длительность импульса τ = 5 дел. × 0,1 мс/дел. = 0,5 мс.

3.3. Измерить период повторения импульсов. Изменяя положение переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.», получить изображение двух импульсов на экране. Измерить горизонтальное расстояние между

38

двумя характерными точками соседних импульсов (точки 3 и 4 на рис. 3.8). Рассчитать действительное значение периода повторения импульса: умножить измеренное горизонтальное расстояние на показание переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ.». Если используется множитель развертки (растяжка), то результат нужно умножить на 0,1.

Период импульса равен

T = l1 Kр М,

где l1 – период импульса в делениях горизонтальной шкалы экрана, дел.; Kр – коэффициент развертки, мс/дел.; М – множитель разверт-

ки (×0,1).

Пример. Допустим, что расстояние между измеряемыми точками составляет 10 делений, а переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» установлен на 0,1 мс, растяжка (×0,1) не применяется.

Период импульса T = 10 дел. × 0,1 мс/дел. = 1 мс.

4. Рассчитать частоту следования и скважность импульсов (косвенные измерения).

4.1. Рассчитать частоту сигнала как величину, обратную периоду повторения сигнала f = 1/T

Пример. Частота сигнала с периодом повторения 0,5 мс будет рав-

на f = 0,51мс = 2 кГц.

4.2. Определить скважность импульса (отношение периода к длительности прямоугольного импульса) по формуле Q = T/τ. Скважность может лежать в пределах от нескольких единиц до сотен тысяч.

5. Рассчитать погрешность измерений амплитуды и длительности импульса.

Паспортные погрешности коэффициента отклонения δо и коэффициента развертки δр осциллографа С1-65А составляют 6 и 10 %.

Относительные погрешности измерения амплитуды и длительности импульса равны

δа = δо2 + δв2 , δд = δ2р +δв2

где δо – относительная погрешность коэффициента отклонения, δр – относительная погрешность коэффициента развертки, δв – относи-

39

тельная визуальная погрешность, связанная с совмещением линии луча с рисками шкалы и отсчетом положения линии относительно делений шкалы.

Значение визуальной погрешности зависит от толщины линии луча b и количества делений h при измерении амплитуды импульса или количества делений l при измерении временных параметров сигнала. Для уменьшения визуальной погрешности размер изображения импульса на экране должен быть большим.

Визуальная погрешность равна

δв = 0,h4 b = 0, 4l b .

Толщину линии луча b принимают равной не более 1 мм.

Отчет по работе

Отчет должен содержать:

1)название и цель работы;

2)краткие теоретические сведения и расчетные формулы;

3)результаты измерений и вычислений, представленные в виде таблицы 3.1;

4)вывод по работе.

Контрольные вопросы

1.Какие существуют виды осциллографов?

2.Что такое развертка? Какие вы знаете виды разверток?

3.Какие элементы включает в себя структура осциллографа?

4.Каким образом производится управление осциллографом?

5.Для каких целей необходима внутренняя и внешняя синхронизация осциллографа?

6.Для каких практических целей используется осциллограф?

40