Осциллографические измерения

1. Измерение временных и амплитудных параметров синусоидального (рисунок 2.17) и прямоугольного (рисунок 2.18) сигналов.

Параметры синусоидального сигнала:

U_m- амплитудное значение (U_m= Н ∙ n_у), В;

U_ck- среднеквадратичное значение;

Т – период сигнала (Т= L ∙ n_x) , с,

где n_x, n_у - чувствительность осциллографа по горизонтали (с/дел. или мс/дел.) и по вертикали (В/дел.);

Н – высота сигнала, дел;

L – период сигнала, дел.

Параметры сигнала прямоугольной формы:

τ _ф- длительность фронта (или время нарастания импульса) ;

t_c - длительность среза (или время спада импульса);

в_{1 ,} в₂- выброс на вершине и на срезе;

∆ U_max- неравномерность вершины;

Т – период сигнала (Т = L ∙ n_x), с ;

t _u- длительность импульса;

U_max - амплитуда импульса (U_max= Н ∙ n_у ), В;

Рисунок 2.17. Синусоидальный сигнал: а – параметры сигнала; б - осциллограмма

Рисунок 2.18. Сигнал прямоугольной формы: а – параметры сигнала; б - осциллограмма

2. Измерение фазового сдвига:

• Метод линейной развертки (рисунок 2.19). Сигналы, сдвиг по фазе между которыми измеряется с помощью двухлучевого или (двухканального) осциллографа подаются на I и II входы Y. Фазовый сдвиг между напряжениями U₁ и U₂ вычисляется по формуле:

φ = [ab / ac]∙360°,

где ab, ac - соответствующие расстояния на осциллограмме в делениях;

Рисунок 2.19. Измерение фазового сдвига методом линейной развертки

С помощью осциллографа можно также измерять частоту периодических сигналов (методы измерения частоты рассмотрены в теме 2.5) и коэффициент амплитудной модуляции (см. ниже в данной теме).

• Измерение фазового сдвига по фигуре Лиссажу в виде эллипса (рисунок 2.20). Сигналы, сдвиг по фазе между которыми измеряется, продаются на входы Х и У осциллографа. По изображению на экране осциллографа сдвиг фаз находится по следующим формулам:

φ = arcsin (ab/a^/b^/) или φ = arctg (B/A),

где φ - сдвиг по фазе между напряжениями Uy и Ux , в градусах;

ab, a^/b^/, A, B - соответствующие расстояния на осциллограмме, дел.

Рисунок 2.20. Измерение фазового сдвига по фигуре Лиссажу в виде эллипса

Анализаторы спектра сигналов. В анализаторах спектра осуществляется сканирование сигнала по диапазону частот и на экране ЭЛТ строится зависимость амплитуды от частоты, т.е. прибор разлагает несинусоидальный сигнал на отдельные частотные составляющие и представляет их в виде ряда вертикальных линий. Положение каждой линии на экране соответствует ее частоте, а длина отражает амплитуду сигнала на данной частоте.

Измерители нелинейных искажений. В технике звуковых и высоких частот приходится встречаться с нелинейными искажениями синусоидальных колебаний электрическими цепями, содержащими нелинейные элементы (диоды, транзисторы). Для оценки нелинейных сигналов используется определение коэффициента гармоник К_г , который равен отношению среднеквадратического значения напряжения гармонических составляющих выше основной (U₂, U₃,..., U_n) к среднеквадратическому значению напряжения основной частоты U₁ :

К_г =,

где U₁, U₂ , U₃, ... - амплитуды гармоник.

Значение К_г может изменяться от 0 до ∞ . Поэтому на практике используют видоизмененный коэффициент гармоник К_г^' , представляющий собой отношение среднеквадратического значения напряжения высших гармоник к среднеквадратическому значению напряжения искаженного сигнала:

К_г^' = , который изменяется уже от 0 до 1 .

Практически во всех измерителях нелинейных искажений реализуется так называемый метод подавления основной частоты, т.е. раздельно измеряют среднеквадратическое значение напряжения искаженного сигнала и среднеквадратического значения напряжения высших гармоник (без первой гармоники, используя заграждающий для нее фильтр) этого же сигнала (рисунок 2. 21). При "калибровке" вольтметр устанавливается на условную единицу (или 100%). Тогда в положении "измерение" вольтметр показывает значение коэффициента К_г^' .

Рисунок 2.21. Измерение коэффициента гармоник К_г^'

Основные виды модуляции и измеряемые параметры. Модуляция - это воздействие на один из параметров (U, ω, φ) синусоидального сигнала U(t) = U_msin(ωt+φ). Поэтому модуляция может быть амплитудной, частотной или фазовой. Наиболее широко применяются амплитудная (из-за простоты осуществления) и частотная (ввиду ее большой помехоустойчивости).

При модуляции информация накладывается на сигнал несущей частоты путем его изменения по амплитуде, частоте или фазе.

Амплитудная модуляция (звуковой модулирующий сигнал изменяет амплитуду несущей частоты между максимальным U_max и минимальным U_min значениями) определяется коэффициентом модуляции М и частотой модуляции f_м (рисунок 2.22):

М = (U_max - U_min ) / (U_max + U_min )·100%.

Рисунок 2.22

Приборы для измерения коэффициента модуляции называют модулометрами. Для измерения коэффициента модуляции применяют следующие методы: спектральный, метод двух вольтметров (реализуется в приборах непосредственной оценки), осциллографический.

Разновидности осциллографического метода:

• метод осциллограммы модулированного сигнала (рисунок 2.22, 2.23). Для ее получения на вход У осциллографа подается исследуемое амплитудно-модулированное напряжение и используется линейная непрерывная развертка, частота которой равна частоте модуляции (огибающей) или в целое число раз меньше ее.

М = ΔU100 / U_cв ; М = (U_max – U_min) / (U_max+ U_min)  100;

М = (А-В) / (А+В) ∙100.

Рисунок 2.23: а – амплитудно-модулированный сигнал, б - осциллограмма

Параметры сигнала:

А, U_МАХ - максимальный размах сигнала; В, U_МIN - минимальный размах сигнала; Тв - период высокочастотного сигнала (несущей); Тн – период низкочастотного сигнала (огибающей).

* метод трапеции. Осциллограф используется в режиме Х-У. Внутренняя развертка осциллографа отключена. На У-пластины подают исследуемое амплитудно-модулированное напряжение, а на Х- пластины – модулирующее напряжение (частоты модуляции). В зависимости от фазового сдвига между огибающей и модулирующим напряжением, а также от М, на экране могут быть получены фигуры, изображенные на рисунках 2.24, 2.25.

Рисунок 2.24 . Измерение коэффициента амплитудной модуляции методом трапеции. Параметры сигнала: А – большее основание трапеции; В – меньшее основание трапеции.

Коэффициент модуляции равен М = (А-В) / (А+В) ∙100.

* метод эллипса. На входы Х и У осциллографа подают исследуемое амплитудно-модулированное напряжение со сдвигом по фазе. Внутренняя развертка осциллографа отключена. От величины угла фазового сдвига зависит вид осциллограммы. Определив линейные размеры, находят А и В (рисунок 2.26).

Рисунок 2. 25

Рисунок 2.26

Частотная модуляция (модулирующее напряжение изменяет частоту несущей при ее постоянной амплитуде) характеризуется девиацией несущей частоты Δf и индексом m .

Девиация - это наибольшее отклонение высокой частоты относительно ее среднего значения. Она пропорциональна амплитуде моделирующего напряжения с частотой F.

Δf = f _max - f _ср.

Индекс частоты модуляции определяется отношением: m = Δf / F.