Обработка результатов экспериментальных исследований

3.4. Для исследований по п.3.1 для каждого значения частоты вычислите абсолютную погрешность генератора f. Постройте графики f = F₁(f_ген) и К_г = F₂(f_ген).

3.5. Для исследований по п.3.2 вычислите абсолютную погрешность вольтметра генератора U. Постройте график U = F₃(U_ген).

Контрольные вопросы

3.6. Укажите соотношение между коэффициентом гармоник и коэффициентом нелинейности.

3.7. Укажите функциональную схему С6-11. Какой способ положен в основу измерителя нелинейных искажений С6-11?

3.8. Какое назначение входного устройства С6-11?

3.9. Какое назначение избирательного усилителя С6-11?

3.10. Какое назначение вольтметра С6-11?

3.11. Какой должна быть полоса пропускания предварительного усилителя С6-11?

3.12. Какими должны быть частотная, фазовая и амплитудная характеристики предварительного усилителя С6-11 в рабочей полосе частот?

3.13. На какую частоту настраивается заграждающий фильтр избирательного усилителя С6-11?

3.14. Чем обеспечивается настройка фильтра избирательного усилителя С6-11 на заданную частоту?

3.15. Укажите методы измерения нелинейных искажений.

4. Измерение параметров гармонических и импульсных сигналов электронными осциллографами

Цель работы: изучить измерительные генераторы и электронные осциллографы. Ознакомиться с основными приемами измерений электронными осциллографами.

Приборы и их характеристики

Электронный осциллограф. Исследуемый сигнал отображается на экране осциллографа в виде светящихся линий или фигур, называемых осциллограммами. Осциллограммы представляют собой функциональную зависимость двух или трех величин: У = f(Х) или У = (Х,Z). Большинство сигналов удобно рассматривать в реальном масштабе времени, поэтому чаще всего используется функциональная связь вида У = f(t) или У = (t,z). Упрощенная функциональная схема универсального осциллографа приведена на рис.4.1.

Рис.4.1. Упрощенная функциональная схема универсального осциллографа: АТ – аттенюатор; У_упр – предварительный усилитель канала У; ЛЗ – линия задержки; У_уок – оконечный усилитель канала У; К – калибратор; У_z – усилитель канала Z; СС – схема синхронизации; ГР – генератор развертки; У_x – усилитель канала Х; ЭЛТ – электронно-лучевая трубка (н – накал; к – катод; а₁, а₂, а₃ – аноды; У, Х – отклоняющие пластины; М – модулирующий электрод)

Исследуемый сигнал подается на гнездо  (вход У). При помощи входного аттенюатора выбирают значение сигнала, удобное для исследования на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Сигнал усиливается предусилителем вертикального отклонения У_упр.

В тракт усилителя вертикального отклонения включена линия задержки ЛЗ, которая задерживает исследуемый сигнал на время, компенсирующее задержку в схемах синхронизации СС и развертки ГР, что позволяет наблюдать фронты коротких импульсов. Оконечный усилитель вертикального отклонения У_уок усиливает исследуемый сигнал до необходимого значения. С усилителя У_уок сигнал подается на вертикально-отклоняющие пластины (У) ЭЛТ.

Генератор развертки (ГР) вырабатывает пилообразное напряжение для осуществления временной развертки луча ЭЛТ. Это напряжение усиливается усилителем горизонтального отклонения У_х и поступает на горизонтально-отклоняющие пластины (Х) ЭЛТ. Меняя частоту ГР, добиваются такого соотношения частот развертки и исследуемого сигнала, при котором получается неподвижное изображение.

Генератор развертки может работать в ждущем режиме, режиме автозапуска и в режиме однократного запуска. Для поддержания стабильности настройки применяется принудительная синхронизация (схема синхронизации СС) путем подачи к ГР (в момент предшествующий началу обратного хода) части усиленного исследуемого сигнала. Такая синхронизация называется внутренней.

В схеме синхронизации осуществляется выбор источника синхронизации (внутреннего, внешнего, от сети), вида источника синхронизации (постоянный, переменный), полярности синхронизации.

Для гашения в начале обратного хода луча к модулирующему электроду (М) ЭЛТ подводится большое отрицательное напряжение (через усилитель У_Z), запирающее трубку.

В осциллографе предусмотрена возможность подачи внешнего сигнала на гнездо  Z для получения яркостных меток времени. Предусмотрена возможность подачи сигнала на вход Х через усилитель У_х, а также непосредственно на отклоняющие пластины У и Х.

Для периодической проверки чувствительности канала вертикального отклонения и калибровки длительности развертки служит калибратор К амплитуды и длительности.

Органы управления ЭЛТ: – регулируют четкость изображения (фокусировка, астигматизм), – регулирует яркость изображения, – регулирует освещение шкалы.

Органы управления усилителем канала У: Вольт/дел – устанавливает коэффициент отклонения по вертикали (ручка Плавно должна находиться в крайнем правом положении, тогда коэффициенты отклонения соответствуют указанным на шкале панели), *0.5,*1,*2 – переключатель множителя коэффициента отклонения, ↕ – регулирует положение изображения по вертикали, Баланс – балансирует предусилитель У_упр, = ┴ ~ – выбирает способ подачи входного сигнала на вход У (┴ – заземляется вход У_упр, сигнал не заземлен).

Органы управления синхронизацией: + - – выбирает полярность запускающего сигнала (синхронизирующего развертку), = ~ – устанавливает режим запуска схемы синхронизации, Уровень – выбирает уровень на исследуемом сигнале (от которого происходит запуск развертки), ВЧ – обеспечивает устойчивое изображение сигналов частоты свыше 10 МГц, Внутр. Сеть, 1:1, 1:10, Внеш. – выбирает источник синхронизирующего сигнала.

Органы управления разверткой: Время/дел – устанавливает скорость развертки (ручка Плавно должна находиться в крайнем правом положении, тогда скорость развертки соответствует указанной на шкале), *1,*2,*5 – переключатели множителя длительности развертки, ↔– регулирует положение изображения по горизонтали, *1,*0.1,  X – устанавливает вид развертки (*1 – скорость развертки соответствует установленной переключателем Время/дел, *0.1 – увеличивает скорость развертки в 10 раз,  X – горизонтальное отклонение осуществляется внешним сигналом, который подается на гнездо X), Авт. Ждущ. Однокр. – устанавливает режим запуска развертки, – гнездо выхода генератора пилообразного напряжения.

Органы управления калибратора амплитуды и длительности: – устанавливают режим калибратора.

Основные технические характеристики осциллографа С1-65: рабочая часть экрана по горизонтали – 80 мм, по вертикали – 48 мм; нормальный диапазон амплитудно-частотной характеристики 07 МГц; время нарастания переходной характеристики 10 нс, выброс на переходной характеристике не превышает 5%; коэффициент отклонения устанавливается одиннадцатью ступенями от 5 мВ/дел до 10 В/дел (1 дел = 8 мм); плавная регулировка коэффициента отклонения относительно калиброванного положения не менее чем в 2.5 раза; калибратор обеспечивает выдачу калиброванных по длительности и амплитуде импульсов напряжения в форме меандра с частотой следования 1000 Гц и амплитудой от 0.02 до 50 В, предел допускаемой основной погрешности установки калиброванного напряжения и частоты ±1.5%; предел допускаемой основной погрешности измерения амплитуды гармонического сигнала в диапазоне частот до 7 МГц и амплитуды импульсных сигналов от 15 мВ до 60 В, при размере изображения от 3 до 6 делений, составляет ±5%; генератор развертки обеспечивает 21 калиброванную длительность развертки от 0.01 мкс/дел до 50 мс/дел, нелинейность рабочей части развертки не более ±10%; предел допускаемой основной погрешности измерения временных интервалов в диапазоне развертки до 50 мс/дел, при размере изображения по горизонтали от 4 до 10 делений, составляет ±5%.

Генератор импульсных сигналов является источником видеоимпульсов с известной формой, длительностью, частотой повторения и высотой. Основная форма импульсов прямоугольная. Прямоугольный импульс идеальной формы характеризуется длительностью  и высотой A_m (см.рис.4.6).

Реальная форма импульса отличается от идеальной. Длительность импульса определяется на уровне 0.5A_m. Длительность фронта t_H соответствует нарастанию импульса от 0.1A_m до 0.9A_m; длительность спада t_сп – времени убывания сигнала от 0.9A_m до 0.1A_m.

Упрощенная структурная схема генератора прямоугольных импульсов приведена на рис.4.2. Задающий генератор ЗГ выдает тактовые импульсы, поступающие на схему внешнего и разового запуска. Работая в автоколебательном режиме, ЗГ обеспечивает плавно-ступенчатую регулировку частоты повторения импульсов. В режиме внешнего и разового пуска ЗГ отключается. Сигнал со схемы внешнего и разового запуска ВЗ поступает на схему задержки основного сигнала и на схему формирования импульса синхронизации.

Рис.4.2. Упрощенная структурная схема генератора импульсных сигналов: ЗГ – задающий генератор; ВЗ – схема внешнего и разового запуска; СС – схема формирования импульса синхронизации; ЗИ – схема задержки основного импульса; ДИ – схема формирования длительности импульса; АИ – схема выходного формирователя и регулировки амплитуды; ИУ – схема измерения амплитуды импульса

Схема задержки ЗИ выдает импульс с регулируемым временным сдвигом, а также обеспечивает режим нулевого временного сдвига основного импульса относительно импульса синхронизации. Импульс с выхода ЗИ запускает схему формирования длительности основных импульсов, которая выдает стартовый и стоповый импульсы с регулируемым временным сдвигом между ними. Поступая на схему выходного формирователя и регулировки амплитуды АИ, стартовый импульс определяет начало (фронт) выходного импульса, а стоповый – его конец (срез). АИ обеспечивает также плавно-ступенчатую регулировку амплитуды.

Измерение амплитуды выходных импульсов в пределах плавной регулировки осуществляется с помощью схемы измерителя амплитуды, где в качестве индикатора используется вольтметр типа М42101.

Основные технические характеристики генератора Г5-54: генератор выдает на выходе импульсы обеих полярностей в диапазоне длительностей от 0.1 до 1000 мкс; погрешность установки длительности импульсов при скважности более 5 не превышает ±(0.1 + 0.03); максимальная амплитуда основных импульсов A_m на внешней нагрузке 500 Ом не менее 50 В.

Обеспечивается плавная регулировка амплитуды от A_m до 0.3A_m и ступенчатое ослабление с коэффициентами (К) 1, 0.3, 0.1, 0.03; погрешность установки амплитуды не превышает ±(0.1A_m + K) В; длительность фронта и среза основных импульсов на нагрузке 500 Ом не превышает соответственно 50 и 100 нс при скважности не менее 5; временной сдвиг (задержка, D) основного импульса относительно синхроимпульса регулируется от 0.1 до 1000 мкс, значение D не должно превышать 0.5 периода (Т) повторения импульсов; погрешность установки временного сдвига (при D < 0.2Т) не превышает ±(0.1D + 0.03); частота (F) повторения импульсов при внутреннем запуске регулируется от 10 Гц до 100 кГц, погрешность установки частоты ±0.1F.

Генератор сигналов Г3-112. Упрощенная функциональная схема генератора приведена на рис.4.3. Через гнездо Синхр. возможна синхронизация генератора синусоидальным сигналом от внешнего источника. Задающий RC-генератор – перестраиваемый, с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала.

Рис. 4.3. Упрощенная функциональная схема генератора Г3-112: ЗГ – задающий генератор; ФП – формирователь прямоугольного сигнала; РН – плавный регулятор напряжения; УМ – усилитель мощности; А – аттенюатор; S₁ – переключатель режимов работы

Основные технические характеристики Г3-112: диапазон частот от 10 Гц до 10 МГц, погрешность установки частоты не превышает ±3%; наибольшее значение выходного напряжения синусоидального сигнала на нагрузке 500 Ом не менее 5 В (не менее 10 В без нагрузки); изменение напряжения на выходе при перестройке частоты относительно уровня при частоте 1000 Гц не превышает ±1.5% от 20 Гц до 100 кГц и ±6% от 100 кГц до 10 МГц; коэффициент гармоник не более 4%; генератор вырабатывает сигнал прямоугольной формы в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц, амплитуда не менее 10 В, скважность 2, длительность фронта и среза 50 нс.

Генератор Г3-109: диапазон частот от 20 Гц до 200 кГц перекрывается при помощи четырех поддиапазонов. Погрешность генератора на частоте F составляет ±(2+50/F)%. Нелинейные искажения не превышают 2%. Напряжение на выходе аттенюатора контролируется стрелочным прибором. Основная приведенная погрешность установки выходного напряжения на гнезде «Выход 2» не превышает 4%. Структурная схема генератора приведена на рис.4.4.

Рис.4.4. Упрощенная структурная схема генератора Г3-109: ЗГ – задающий генератор; ПУ – предварительный усилитель; УМ – усилитель мощности; СТ – согласующий трансформатор; ПН – переключатель нагрузок; ИУ – индикатор выходного уровня; АТ – аттенюатор

Схема получения круговой развертки и изменения фазового сдвига приведена на рис.4.5.

Рис.4.5. Схема получения круговой развертки

и изменения фазового сдвига