Техника осциллографических измерений

Измерение амплитуды напряжения и временных интервалов — основные процессы, выполняемые с помощью осциллографа. Для отсчета значений этих величин применяют метод калиброванных шкал, компенсационный и метод сравнения.

При реализации метода калиброванных шкал перед измерениями производят калибровку осциллографа с помощью устройств, называемых калибраторами, т. е. проверку значений масштабных коэффициентов N_Y и N_X, и при необходимости — их корректировку путем изменения усиления канала Y и длительности развертки. При измерении амплитуды с помощью переключателя ослабления входного аттенюатора (меняют коэффициент ослабления К_Y) устанавливают удобный размер y (y – оценка амплитуды сигнала в делениях) вертикального отклонения сигнала на экране. Амплитуду вычисляют по формуле

U= N_Y· К_Y · y

При измерении длительности сигнала переключатель длительности развертки устанавливают в такое положение, при котором измеряемый интервал занимает на экране не менее четырех делений шкалы (задают коэффициент К_Х). Значение длительности сигнала вычисляют как

t= N_X· К_X · x,

где х – длительность сигнала в делениях шкалы.

Метод калиброванных шкал является основным методом измерений для большинства осциллографов; точность осциллографа обычно указывается применительно к данному методу.

Компенсационный метод позволяет увеличить точность измерения. Сущность метода состоит в том, что изменением опорного напряжения совмещают минимальный, а затем максимальный уровни сигнала с какой-либо горизонтальной риской шкалы. Разность в значениях опорного напряжения равна амплитуде сигнала.

В осциллографах с двойной разверткой компенсационный метод реализуют и для измерения длительности сигнала.

Метод сравнения измеряемой величины с эталонной производят непосредственно на экране без использования шкалы. Это позволяет получить погрешность измерения не выше 2%.

Определение коэффициента амплитудной модуляции (рис. 11)выполняют путем отсчета максимального и минимального размера изображения амплитудно-модулированного сигнала непосредственно в делениях шкалы.

Рис. 11. Определение коэффициента амплитудной модуляции

Расчет ведут по формуле m=(A-B)/(А+B)·100 %

Частоту периодического сигнала можно вычислить через измеренный период колебаний или с помощью фигур Лиссажу. Во втором случае на вход Х подают сигнал с известной частотой. При кратном соотношении частот на экране получают те или иные фигуры в зависимости от коэффициента кратности (отношение числа точек касания фигуры и горизонтали к числу касаний по вертикали - умножаем).

Одним из применений осциллографа является измерение вольт - амперных характеристик и фазового угла между двумя колебаниями.

По точности измерений напряжения и временных интервалов осциллографы разделяют на 4 класса. Классы точности определяют следующие значения предела погрешности измерений: первый класс – не более 3%, второй и третий – не более 5 % и 10 % соответственно, четвертый класс – до 12 %.

Цифровые осциллографы обладают широкими возможностями и позволяют измерять до 8 параметров различных сигналов. В отличие от аналоговых, цифровые осциллографы обладают режимом синхронизации с компьютером, и могут сохранять несколько программ одновременно, отправлять на печать весь процесс и результаты работы, а также многое другое. Эти приборы характеризуются надежностью и простотой в использовании, благодаря чему нашли применение в различных областях деятельности человека.

Отметим некоторые достоинства цифровых осциллографов:

• возможность "замораживания" изображения на произвольное время

• высокая точность измерений

• возможность отображения сигнала до запускающего момента (в "отрицательном" времени)

• автоматические средства измерения параметров сигналов

• возможность подключения к компьютеру, принтеру или плоттеру

• возможности математической и статистической обработки сигнала

• средства самодиагностики и самокалибровки

 Недостатки цифровых осциллографов

• более высокая стоимость

• более сложные в управлении

Цифровые осциллографы часто предоставляют целый набор функциональных возможностей, которые невозможны на аналоговых осциллографах.  Математические функции включают сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование и дифференцирование. Статистика измерений (минимальное, максимальное и среднее) может дать представление о точности измерений. Некоторые цифровые осциллографы предоставляют возможность анализа сигналов в частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье.

Цифровые приборы. В цифровых электрических приборах сигнал измерительной информации с помощью аналогово-цифрового преобразователя преобразуется в цифровой код, который с помощью дешифратора может быть преобразован в числовую форму, отображаемую показывающим или регистрирующим устройством.

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые приборы имеют ряд достоинств:

-удобство отсчета и регистрации результатов измерений; высокую точность измерений (до 0,001%) при широком диапазоне измеряемых величин (от 0,1 мкВ до 1000 В);

-высокое быстродействие ( из-за отсутствия подвижных частей в измерительной цепи);

-полную автоматизацию процесса измерений (автоматический выбор пределов измерений, полярности, коррекцию погрешности);

-возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством;

-возможность дистанционной передачи результатов измерений без потери точности.

К недостаткам можно отнести:

-сложность конструкции;

-высокую стоимость;

-необходимость вспомогательного источника питания.

Еще одним недостатком цифровых приборов по сравнению с аналоговыми, обусловливающим широкое применение аналоговых приборов для контроля параметров технологических процессов, является недостаточная наглядность представления информации.

Цифровые измерительные приборы, как правило, многопредельны, универсальны и предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напряжений и других электрических и неэлектрических величин.

Особый класс электроизмерительных приборов представляют собой устройства с компьютером в качестве выходного устройства. Удобства использования компьютерного выхода в измерительных приборах совершенно очевидны: отсутствие необходимости использования самописцев, высокая помехоустойчивость, широкие возможности обработки и представления результатов, возможность передачи полученной информации по каналам связи и многое другое, что позволяет утверждать, что измерительная техника с использованием компьютеров имеет право на специальное рассмотрение.