МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПБГУТ)

Институт магистратуры

Кафедра Цифрового телевидения и метрологии

ОТЧЕТ ПО

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 5

«Исследование цифрового осциллографа»

Принял: к.т.н., доцент кафедры Антипин Борис Маврович

Санкт-Петербург 2025

Цель работы:

Изучить принцип действия и структурную схему цифрового осциллографа, методику подготовки осциллографа к работе. Ознакомиться с основными метрологическими характеристиками исследуемого осциллографа. Получить навыки использования осциллографа для исследования формы электрических сигналов и измерения их параметров.

Схема установки

Рис. 1. Схема подключения приборов

Исследуемый прибор

Цифровой осциллограф АКИП-4115/2А.

Вспомогательные приборы и устройства

Пробник осциллографа АКИП-4115/2А.

Генератор сигналов специальной формы АКИП 3407/4А. Комплект коаксиальных кабелей BNC-BNC.

Основные метрологические и технические характеристики осциллографа

АКИП-4115/2А

Параметр	Значение
Число каналов вертикального отклонения (Y)	2
Ширина полосы пропускания каналов Y1 и Y2, МГц	(0 – 40) МГц
Время нарастания переходной характеристики каналов Y1 и Y2, нс	8,8 нс
Диапазон коэффициента отклонения (Коткл), В/дел	(2м…10) В/дел
Входное сопротивление каналов Y1 и Y2, МОм	1 МОм
Входная емкость каналов Y1 и Y2, пФ	13 пФ
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения постоянного напряжения (U) при фиксированных коэффициентах отклонения, мВ	±(0,03·(|Uизм|+|Uсм|)+0,01·|Uсм|+0,1дел ·Ко+1), ±(0,03·(|Uизм|+|Uсм|)+0,01·|Uсм|+0,1дел ·Ко+10), где Uизм – измеренное значение напряжения постоянного тока, мВ, Uсм – значение постоянного смещения, установленное на осциллографе, мВ Ко – значение коэффициента отклонения, мВ/дел
Диапазон установки коэффициента развертки, с/дел	10 нс - 50 с/дел
Пределы допускаемой относительной погрешности коэффициента развертки, %	0,01%

Результаты измерений

Таблица 1. Результаты измерения для определения АЧХ канала Y1

Рис. 2. График АЧХ канала Y1

Таблица 2. Результаты измерения для определения АЧХ канала Y2

Рис. 3. График АЧХ канала Y2

Расчёт времени нарастания переходной характеристики 𝜏_пх для обоих каналов:

0.35

𝜏_пх =

_𝑓в

Для Y1 𝜏

₌ 0.35 ₌ 0.35

= 1.1 × 10⁻⁸ с

пх _𝑓в

^32×106

Для Y2 𝜏

₌ 0.35 ₌ 0.35

= 2 × 10⁻⁸ с

пх _𝑓в

^17.5×106

Fв берётся из построенной АЧХ: это та частота, на которой модуль передачи падает до уровня −𝟑дБ относительно максимального

Измерение параметров сигнала прямоугольной формы

Рис. 4. К определению параметров прямоугольного импульса

𝜏_ф = 24 ∗ 10⁻⁹ с (длительность фронта)

𝜏 = 195 ∗ 10⁻⁹ с (длительность импульса)

𝜏_сп = 40 ∗ 10⁻⁹ с (длительность спада)

Исключим систематическую погрешность измерения длительностей фронта и спада, обусловленную конечным временем нарастания переходной характеристики канала Y1:

^𝜏_{ф д} ⁼ √^{𝜏2 − 𝜏2 , = √(24 ∗ 10−9)2 − (1.75 ∗ 10−8)2 = 1.64 ∗ 10−8 с}

^фр изм ^пх

𝜏_{сп д} = √𝜏² − 𝜏² = √⁽40 ∗ 10⁻⁹⁾² − ⁽1.75 ∗ 10⁻⁸⁾² = 3.6 ∗ 10⁻⁸ с

сп изм

пх

где 𝜏_{ф д} – действительная длительность фронта, нс; 𝜏_{фр изм} – измеренная длительность фронта, нс; 𝜏_{сп д} - действительная длительность спада, нс; 𝜏_{сп изм} – измеренная длительность спада, нс; 𝜏_пх – время нарастания переходной характеристики канала Y1, найденное ранее

Сопоставим полученное значение 𝑓_{𝑘𝑛𝑒𝑒} с найденной граничной частотой fв для канала Y1.

Частота 𝑓_{𝑘𝑛𝑒𝑒} связана с требуемой верхней частотой канала вертикального отклонения осциллографа 𝑓_в соотношением:

𝑓_в = 𝑘𝑓_{𝑘𝑛𝑒𝑒},

_{k =} 𝑓_{в =} 32×10⁶

= 1,1

^𝑓𝑘𝑛𝑒𝑒

2.08×10⁷

Измерение разности фаз синусоидальных сигналов

Таблица 3. Результаты измерений разности фаз

Использование математических операций для сигналов на осциллографе

Таблица 4. Результаты измерения размаха результирующего сигнала

Размах синусоидальных сигналов = 1 В, частота =10 кГц.
𝜑0 2	30	45	90	120	180
𝑈р матем , мВ	544	776	1.38	1.7	1.9

Вывод:

В ходе лабораторной работы были рассмотрены принцип функционирования цифрового осциллографа и его ключевые метрологические параметры, а также отработаны практические навыки измерения характеристик электрических сигналов с использованием курсорных и автоматических средств прибора. Были проведены измерения параметров синусоидальных и прямоугольных сигналов: амплитуды, периода, частоты, а также времён нарастания и спада.

Для обоих вертикальных каналов построены амплитудно-частотные характеристики в децибелах и определены значения верхней граничной частоты по уровню −3 дБ. На основе полученных данных вычислены времена нарастания переходных процессов каналов. Дополнительно изучены способы определения фазового сдвига между синусоидальными сигналами. Было установлено, что автоматический режим измерений обеспечивает хорошую точность и стабильность результатов, хотя при нулевом фазовом сдвиге возможно небольшое смещение, связанное с внутренними задержками тракта осциллографа. В остальных режимах погрешности оказались минимальными, что подтверждает достоверность автоматических измерений.

Для прямоугольного сигнала была получена реальная длительность фронта с учётом переходной характеристики прибора, после чего рассчитана максимальная существенная частота спектра. С учётом указанного

коэффициента связи была определена требуемая полоса пропускания осциллографа. Сравнение расчётных значений с экспериментально полученными показало, что один из каналов обладает достаточной полосой для корректного отображения исследуемого сигнала, тогда как второй способен вносить заметные искажения формы импульса.