МСиС / M_lab_PDF / LAB3

1

Лабораторная работа № 3

ПРОВЕРКА ГРАДУИРОВКИ ШКАЛ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА И ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА ЦИФРОВЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

1. Цель работы

Приобретение практических навыков работы с измерительным генератором низкой частоты, а также выполнения измерений параметров сигналов (амплитуды, частоты и т.п.) с помощью электронных осциллографа, вольтметра и частотомера. Оценка степени точности установки и измерения параметров сигналов с помощью генератора низкой частоты и электронного осциллографа.

2.Теоретическая справка

2.1.Электронные аналоговые измерительные приборы

2.1.1.Измерительные генераторы Измерительные генераторы - это источники переменного тока или напря-

жения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда, фаза и некоторые другие параметры могут регулироваться в определенных пределах и отсчитываться с гарантированной точностью. По назначению и спектру частот они делятся на генераторы синусоидальных сигналов (от сотых долей Гц до1010 Гц), шумовых сигналов, импульсных сигналов и сигналов специальной формы. Генераторы синусоидальных сигналов низких частот (до 105 Гц) имеют обычно погрешность установки частоты ±(0,1¸3)%, а погрешность установки напряжения ±(1¸6)%.

Наиболее распространены RC-генераторы, так как они имеют простую схему и генерируют стабильное по частоте переменное напряжение синусоидальной формы. Диапазон (множитель) частот генерируемых сигналов выбирают, переключая конденсаторы фазирующей цепи в схеме задающего генератора. Для плавной перестройки частоты изменяют сопротивления резисторов фазирующей цепи в схеме задающего генератора, поворачивая шкалу частоты, имеющую граничные отметки чаще всего от 1 до 10.

Амплитуда выходного напряжения изменяется плавно с помощью специального регулятора, ручка которого чаще всего снабжается оцифрованной шкалой. В некоторых типах генераторов для измерения выставленной амплитуды выходного сигнала используется встроенный выпрямительный магнитоэлектрический вольтметр. Для получения малых выходных напряжений в генераторах

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

2

обычно имеется встроенный делитель, который позволяет ослаблять сигнал в определенное число раз при включенной внутренней нагрузке(величина ослабления чаще всего указывается в децибелах: 20 дБ - 10 раз, 40 дБ - 100 раз и т.д.). Кроме того, большинство генераторов позволяет при необходимости подключать к своему выходу внутреннюю нагрузку в 600 Ом.

2.1.2. Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевые осциллографы предназначены для визуального на-

блюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Благодаря наглядности представления информации, широкому частотному диапазону, высокой чувствительности и высокому входному сопротивлению осциллографы нашли очень широкое практическое применение. В настоящее время выпускается множество типов электронно-лучевых осциллографов: универсальных и специального назначения, импульсных-запоминающих и высокочастотных, одноканальных и многоканальных (чаще всего двухканальных) и т.п. В последнее время появились цифровые электронные осциллографы, в которых осуществляется цифровая обработка измеряемых сигналов с использованием встроенных микропроцессоров. Однако, пока еще наиболее широкое распространение на практике имеют универсальные аналоговые осциллографы, конструкцию и принцип действия которых мы

ирассмотрим.

Воснове работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ), которая, таким образом, является основным конструктивным узлом осциллографа. Условно основные элементы конструкции ЭЛТ и схема управления лучом изображены на рис. 1.

Простейшая однолучевая ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон, из которого откачен воздух и в котором расположена так называемая электронная

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

3

пушка, состоящая из катода (К) и нескольких управляющих электродов, создающая направленный узкий пучок электронов. На внутренней поверхности экрана трубки нанесен люминофорвещество, способное светиться при попадании на него электронов. Регулировкой напряжений, подаваемых на электронную пушку можно добиться желаемых яркости и фокуса изображения на ЭЛТ. Кроме электронной пушки в ЭЛТ имеются также пластины вертикального и горизонтального отклонения, управляющие движением электронного пучка по вертикали и горизонтали. На эти пластины предусмотрена подача специальных постоянных напряжений, позволяющих перемещать луч на экране по вертикали и горизонтали.

ЭЛТ характеризуются чувствительностью, полосой пропускания, длительностью послесвечения, рабочей площадью экрана, цветом свечения люминофора и другими характеристиками. Чувствительность обычно измеряют в мм отклонения луча на вольт напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. С ростом частоты чувствительность падает, поэтому за полосу пропускания ЭЛТ принимают частоту, на которой чувствительность составляет 0,707 от чувствительности на малых частотах, т.е. уменьшается не более, чем на 3 дБ. Длительность послесвечения составляет: от долей секунды в осциллографах для измерения высокочастотных сигналов до нескольких минут в приборах для измерения медленнотекущих или непериодических разовых процессов. Рабочая поверхность экрана также колеблется в очень широких пределах и зависит от назначения прибора. Цвет свечения люминофора обычно зеленый, но встречаются осциллографы и с другими цветами свечения, например, с голубым в приборах, предназначенных для фотографирования с экрана.

Принцип действия осциллографа может быть представлен с помощью -уп рощенной функциональной схемы, изображенной на рис. 2.

Рис. 2.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

4

На этом рисунке имеются следующие обозначения: ВД - входной делитель напряжения; УВО - усилитель вертикального отклонения, состоящий из предварительного усилителя ПУ, линии задержки ЛЗ и выходного усилителя ВУ; БС - блок синхронизации; ГР - генератор развертки; КД - калибратор длительности; КА - калибратор амплитуды.

Исследуемый сигнал подается на входY и через ВД и УВО поступает на вертикальные отклоняющие пластины ЭЛТ, управляя отклонением электронного луча в трубке по вертикали. Наличие последовательного соединения ВД и УВО обеспечивает значительный диапазон исследуемых напряжений, т.к. дает возможность усиливать или ослаблять сигналы. При подаче на входY переменного напряжения электронный луч будет вычерчивать вертикальную линию. Для получения изображения изменения сигнала во времени необходимо смещать электронный луч еще и по горизонтали с равномерной скоростью. Это достигается подачей на горизонтальные отклоняющие пластины линейно изменяющегося пилообразного напряжения. Принцип развертки изображения можно проиллюстрировать рис. 3.

Из рисунка видно, что при равенстве периодов напряжений, подаваемых на горизонтальные и вертикальные пластины осциллографа, на экране будет получаться неподвижное изображение одного периода исследуемого сигнала. При увеличении периода сигнала развертки вn раз на экране будет изображеноn периодов исследуемого напряжения и наоборотпри уменьшении его периода будет изображена лишь какая-то часть периода исследуемого сигнала.

Напряжение развертки, вырабатываемое генератором развертки, имеет время прямого и время обратного хода. Время обратного хода значительно меньше времени прямого, кроме того, во время обратного хода с помощью специальной

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

5

схемы и электрода в ЭЛТ производится гашение луча. Это позволяет сделать невидимым на экране обратный ход луча. Частота пилообразного напряжения с генератора развертки регулируется в широком диапазоне, что позволяет исследовать с помощью универсального осциллографа сигналы различной частоты и длитель-

ности. Изменяя коэффициент усиления усилителя горизонтального отклонения можно менять размеры изображения по горизонтали.

Для создания на экране осциллографа устойчивого изображения частота развертки должна быть кратна частоте исследуемого сигнала. Однако сама частота исследуемого сигнала в процессе измерений может изменяться, поэтому в осциллографе имеется блок синхронизации, который измеряет частоту входного сигнала и в зависимости от нее вырабатывает управляющие импульсы для регулирования частоты пилообразного напряжения с генератора развертки. Такой режим работы генератора развертки называется непрерывным. Он используется при исследовании периодических сигналов.

При исследовании непериодических последовательностей импульсов или одиночных импульсов непрерывный режим развертки неудобен. В этом случае переходят на ждущий режим развертки, при котором генератор развертки вырабатывает единичный пилообразный импульс только с приходом исследуемого -им пульса. Кроме этого многие универсальные осциллографы имеют возможность управления генератором развертки от внешнего источника, т.н. режим внешней синхронизации (ключ В2).

При любом типе синхронизации генератор развертки из-за своей инерционности вырабатывает пилообразный импульс с некоторым отставанием от исследуемого сигнала. Это привело бы к тому, что начальная часть исследуемого сигнала не была бы изображена на экране, если бы в УВО не было специальной линии задержки ЛЗ.

Большинство универсальных осциллографов имеет дополнительные - воз можности управления электронным лучом. Так во многих моделях имеется специальный вход для подачи на канал Х сигнала с внешнего источника(переключатель В3). В режиме, когда на оба входа и Х иY подаются внешние сигналы, осциллограф используется для получения на экране функциональной зависимости одного исследуемого сигнала от другого. Такая необходимость возникает, например, при снятии т.н. фазовых траекторий в системах управления или регулирования.

Кроме того, наличие входа Х позволяет использовать осциллограф в качестве нуль-индикатора при измерении частоты сигнала с помощью метода фигур Лиссажу. При этом на один из каналов Х илиY подается сигнал измеряемой частоты fx, а на другой сигнал с эталонного генератора частотойfо, как показано на рис. 4,а.

На экране при этом получается т.н. фигура Лиссажу (рис. 4,б). Форма этой фигуры зависит от соотношения частот, амплитуд и фаз сравниваемых сигналов. Далее изменяя частоту образцового генератора, добиваются неподвижности этой

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

6

фигуры, которая будет иметь место в том случае, когда сравниваемые частоты будут относиться друг к другу как целые числа, т.е.

fx = n в , f0 n г

где nв и nг - целые числа, равные числу точек пересечения фигуры Лиссажу с вертикальной и горизонтальной прямыми, не проходящими через точки пересечений

Рис. 4.

Когда частоты fx и fo равны друг другу фигура Лиссажу будет иметь вид эллипса. Точность данного метода измерения частоты очень высока и практически равна точности установки частоты на эталонном генераторе. Основной недостаток - сложность расшифровки фигур Лиссажу при соотношении частот превышающем

10.

В некоторых моделях осциллографов могут иметься зажимы для непосредственной подачи сигналов на пластины Х иY, а также т.н. вход Z, позволяющий подавать сигнал на электрод-модулятор ЭЛТ. Это дает возможность управлять яркостью свечения на экране отдельных фрагментов изображения, подавая импульсы определенной частоты на вход Z.

Для повышения точности измерений осциллографы имеют калибраторы амплитуды (КА) и длительности (КД), которые обычно представляют собой генераторы прямоугольных импульсов строго определенной амплитуды и длительности. В режиме "Калибровка" по этим импульсам на экране настраиваются коэффициенты усиления УГО и УВО. Иногда в некоторых моделях осциллографов выход калибратора длительности подключается к электроду-модулятору, тогда на изображении исследуемого сигнала будут появляться яркие светящиеся точки, .н. отметки времени.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

7

Основными характеристиками осциллографов являются: коэффициент отклонения по вертикали, коэффициент развертки, полоса пропускания, основные погрешности измерения напряжения и временных интервалов, параметры входов.

Коэффициент отклонения по вертикали, измеряемый в вольтах на деление, и обратная ему величина чувствительность осциллографа к напряжению обычно изменяются в широком диапазоне от50 мкВ/дел до 10 В/дел. Коэффициент развертки - отношение времени к отклонению луча за это время, вызванному напряжением развертки, в универсальных осциллографах также изменяется в широких пределах от 0,01 мкс/дел до 0,05 с/дел. Полоса пропускания универсальных осциллографов достигает десятков МГц.

В зависимости от значений максимально допустимых погрешностей измерения напряжения и временных интервалов универсальные осциллографы делятся на 4 класса точности, обеспечивая соответственно погрешности не более: 3%, 5%, 10% и 15%. Данные погрешности определяются при подаче на вход стандартных сигналов синусоидальной или прямоугольной формы.

Параметры входов осциллографа это входное сопротивление и входная емкость. Для универсальных осциллографов обычно входное сопротивление более1 МОм, а емкость порядка нескольких десятков пФ.

2.2. Цифровые измерительные приборы

2.2.1. Общие сведения о цифровых измерительных приборах

Цифровыми измерительными приборами(ЦИП) называются приборы,

которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией -ре зультата на цифровом отсчетном устройстве(ЦОУ) или регистрацией его при помощи цифропечатающего устройства. Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Входная измеряемая величина обычно сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем (ВАП) к виду, удобному для последующего ее преобразования в цифровую (кодовую) форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Наконец, ЦОУ превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет, удобный для считывания оператором.

В качестве ВАП в различных приборах используются делители напряжения, усилители, детекторы и т.п.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

8

Основой большинства цифровых приборов является АЦП, который осуще-

ствляет дискретизацию, квантование и кодирование информации.

Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Обычно промежутки времени между двумя последовательными отсчетами Dt=ti+1-ti выбираются одинаковыми, при этом говорят, что шаг дискретизации постоянен. Таким образом, непрерывная величина Х(t) заменяется последовательностью отсчетов Х(ti), взятых в некоторые моменты времени ti.

Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений вели-

чины Х(t) конечным набором ее дискретных значений Х. Каждое из этих значе-

n

ний совпадает с одним из установленныхуровней квантования, отстоящих друг от друга на некоторый обычно постоянныйинтервал (шаг) квантования. Непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования в соответствии с некоторым правилом, Например, вместо непрерывных значений величине приписываются значения ближайших только меньших уровней, только больших уровней или значение любого ближайшего уровня.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Кодирование производится по определенным правилам с использованием различных систем счисления, чаще всего двоичной и двоично-десятичной, поскольку последние широко применяются в вычислительной технике. Более того, согласно требованию стандарта все ЦИП должны выдавать на внешние устройства двоич- но-десятичный код с весами 8-4-2-1, независимо от того, какие коды применяются в нем в процессе аналого-цифрового преобразования.

Цифровые отсчетные устройства (ЦОУ) служат для представления результата измерения в виде обычных десятичных цифр. При этом в них осуществляется преобразование кода, выдаваемого АЦП, в десятичный код, привычный и удобный для считывания оператором. Такое преобразование кодов осуществляется специальными электронными устройствами, называемыми дешифраторами. Дешифрированный код выдается на цифровые индикаторы. Обычно в приборах используют три типа цифровых индикаторов: газоразрядные, светодиодные и жидкокристаллические.

Газоразрядные индикаторы могут иметь большие размеры и яркое свечение, однако требуют высокого напряжения питания(до 200 В), потребляют много энергии и плохо согласуются с низковольтными схемами цифровых приборов на интегральных микросхемах.

Светодиодные индикаторы имеют сегментную структуру(обычно из 7 сегментов), достаточно яркое свечение разнообразных цветов(красное, зеленое и т.п.), низкое напряжение питания, большую долговечность, относительно небольшое потребление энергии. Однако такие индикаторы не могут иметь достаточно больших размеров, что сужает область их применения.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

9

Жидкокристаллические индикаторы также строятся по сегментной схеме. Они вообще не имеют собственного свечения: их включенные или отключенные сегменты по-разному отражают падающий на них ,светпоэтому потребление энергии у таких индикаторов самое минимальное. Главным их недостатком является низкая контрастность, зависящая к тому же от интенсивности внешней -за светки.

2.2.2. Классификация ЦИП Все ЦИП могут быть классифицированы по методу осуществляемого в них

аналого-цифрового преобразования и по своему функциональному назначению. Так обычно различают три основных метода аналого-цифрового преобразования:

времяимпульсное, частотно-импульсное и поразрядного уравновешивания.

По функциональному назначению различают цифровые вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры, различные комбинированные приборы и т.п.

В зависимости от наличия возможностей усреднения измеряемой величины ЦИП делят на приборы, измеряющие мгновенные значения, и приборы, измеряющие средние значения за определенный интервал времени. По режиму работы ЦИП разделяют на циклические и следящие. В циклических ЦИП весь процесс преобразования протекает независимо от размера измеряемой величины по заданной программе от начала до конца. В следящих ЦИП процесс преобразования начинается только при отклонении измеряемой величины от ранее измеренного размера на определенное приращение. В этом случае характер процесса преобразования зависит от приращения измеряемой величины.

2.2.3. ЦИП с времяимпульсным преобразованием Основой таких ЦИП является преобразователь интервала времени в код, ко-

торый может быть построен по схеме, приведенной на рис. 6.

Принцип работы такого преобразователя следующий. Измеряемый временной интервал чаще всего задается в виде двух событий(импульсов) Ut1 и Ut2, ино-

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3

10

гда называемых стартовым и стоповым соответственно. В блоке формирования (БФ) по передним или задним фронтам этих импульсов формируется импульсUпр длительностью Dt, равной длительности измеряемого временного интервала. Временной селектор (ВС) будет открыт для счетных импульсовUсч, поступающих с генератора счетных импульсов (ГСИ), когда на его управляющий вход подано высокое напряжение Uпр, т.е. в течение времени Dt. Все остальное время ВС будет закрыт. Таким образом, с выхода ВС будет снято число импульсов пропорциональное длительности измеряемого интервала времени при условии, что частота импульсов, вырабатываемых ГСИ постоянна и достаточно высока по сравнению с частотой старт-стоповых импульсов. Полученный код, равный числу импульсов, в дальнейшем может быть подсчитан с помощью устройства, называемого счетчиком, и выдан для преобразования и индикации в ЦОУ.

Погрешность такого преобразования складывается из погрешности от - не стабильности частоты ГСИ, погрешности преобразования временного интервала в длительность импульса на БФ и погрешности от дискретности. Первая составляющая может быть существенно уменьшена за счет кварцевой стабилизации частоты ГСИ. Вторая составляющая носит случайный характер и связана в основном с помехами, которые вместе со старт-стоповыми импульсами поступают на БФ и могут заставить его сработать не в тот момент времени, когда это действительно требуется. Для снижения этой составляющей погрешности необходимо увеличивать отношение полезный сигнал/шум на входе БФ. Наконец, погрешность от дискретизации связана с тем, что непрерывная величинадлительность интервала времени, преобразуется в дискретную - число счетных импульсов. При этом в общем случае Dt может оказаться не кратным целому числу периодов счетных им-

пульсов Т . Абсолютная величина такой погрешности очевидно не превзойдет

сч

длительности Тсч: |Dд|£Тсч. Уменьшения этой составляющей погрешности можно достичь увеличением частоты ГСИ, а также синхронизацией его работы с началом измеряемого интервала.

По данной схеме обычно работаютцифровые частотомеры в режимах измерения интервалов времени, длительностей импульсов и периодов периодических сигналов. Также в интервал времени преобразуется разность фаз двух сигна-

лов в цифровых фазометрах.

На основе АЦП с времяимпульсным преобразованием могут быть также построены цифровые вольтметры и омметры. Так в вольтметрах измеряемое постоянное напряжение сначала преобразуется во временной интервал, а уже затем последний по схеме, приведенной на рис. 6., преобразуется в импульсный код. В цифровых омметрах, как и в электронных аналоговых приборах, сначала производится преобразование сопротивления в напряжение, а затем уже напряжение преобразуется в код.

На рис. 7. представлена простейшая схема преобразователя напряжения во временной интервал, используемая в цифровых вольтметрах, а также временные диаграммы, поясняющие принцип ее работы.

_______________________________

Грачев А.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторная работа № 3