Лабораторные работы / Lab_rabota_4_Stepanov
.doc
Работа 4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ.
Цель работы: исследование характеристик осциллографа и измерение параметров сигналов различной формы.
ЗАДАНИЕ.
-
По приложенным описаниям ознакомиться с назначением органов управления осциллографа и аппаратуры, предоставленной для его исследования. Обратить внимание на их метрологические характеристики. Включить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции.
-
Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки.
-
Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и X.
-
Определить рабочую полосу частот канала вертикального отклонения.
-
Измерить амплитудные и временные параметры сигналов, указанных преподавателем.
-
Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования характеристик осциллографа.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ.
При подготовке осциллографа к работе обратите внимание на качество фокусировки луча. От толщины следа луча зависит визуальная погрешность определения размеров изображения, относительное значение которой оценивают формулой:
(%), (4.1)
где b – толщина линии (в долях крупных делений); LX(Y) – размер изображения по координате X (Y), в крупных делениях; =[0.41] – безразмерный коэффициент, значение которого учитывает квалификацию экспериментатора, для начала =1. Луч считается хорошо сфокусированным, если значение b (0.050.1) дел.
Определение основных погрешностей коэффициентов отклонений и коэффициентов развёртки осуществляется с помощью вольтметра переменного тока (V) и образцового генератора (ОГ) синусоидальной и прямоугольной форм, соединённых с осциллографом (ЭЛО) коаксиальными кабелями (К) согласно рис. 4.1.
Определить погрешности коэффициентов отклонения следует при 23 положениях его переключателя, например, при k0: 0.1, 0.5, 1 (В/дел.). Для этого на вход канала вертикального отклонения подают сигнал синусоидальной формы, частотой 1000 Гц, и регулируют его амплитуду таким образом, чтобы изображение сигнала по оси Y находилось в пределах рабочей части экрана (она обычно отмечена горизонтальными пунктирными линиями). Искомый коэффициент определяется выражением:
k0*=U2А/L2А [В/дел.],
где U2А – напряжение двойной амплитуды, определённое по показаниям вольтметра; L2А – размер изображения двойной амплитуды сигнала (в крупных делениях). Оценка относительной погрешности найденного коэффициента отклонения:
%,
где k0 – номинальный (установленный) коэффициент отклонения.
Схема эксперимента по определению погрешности коэффициента развёртки аналогична. В этом случае можно выбрать сигнал прямоугольной формы.
Перед проведением эксперимента выбирают значение коэффициента развёртки, например kP=1 мс/дел., выбирают размер изображения LT (10 дел.), оценивают требуемое значение частоты тестового сигнала f*=nLT/kP, где n – целое число периодов, которое предполагают наблюдать в пределах LT. После этого регулируют частоту f генератора таким образом, чтобы предполагаемое количество периодов наиболее точно разместилось в границах LT (при этом следует ориентироваться по тем участкам сигнала, которые обладают максимальной скоростью изменения). Для удобства проведения эксперимента следует начало развёртки луча совместить с левым краем сетки экрана.
Коэффициент развёртки вычисляют по формуле: kP*=T0/LТ [c/дел.] – где T=1/nf – действительное значение наблюдаемого временного интервала. Относительную погрешность коэффициента развёртки оценивают по формуле: .
Определение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры, характеризуют максимальными относительными значениями нелинейности амплитудной характеристики канала и максимальной относительной нелинейностью развёртки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q=0.5. (Схема эксперимента включает те же приборы). Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал 7 делений; частоту генератора установить такой, чтобы по оси Х разместилось ровно 5 полупериодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить регулятором плавного изменения коэффициента развёртки). Вариант наблюдаемой картинки представлен рис. 4.2.
Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения оценивают отношением: %, где max(LY1, LY2) – максимальное значение из двух крайних значений размеров LY1 и LY2, соответствующих размаху изображения по вертикали, в делениях; LY – аналогичный размер в центре экрана.
Для получения оценки нелинейности развёртки выбирают больший из крайних размеров изображений полупериодов LХ1, LХ2 и сравнивают его с размером LХ изображения полупериода в центре экрана отношением: %.
Определение рабочей полосы частот канала вертикального отклонения можно на основе анализа опытной зависимости коэффициента передачи осциллографа от частоты:
KU(f)=k0,nL2A(f)/2Um(f),
где k0,n [В/дел.] – номинальное значение одного из коэффициентов отклонения; L2A(f) [дел.] – размер изображения двойной амплитуды сигнала с амплитудным значением Um [В] и частотой f (Гц). Частотные свойства осциллографа описывают нормированной характеристикой, применимой при различных номинальных значениях коэффициентов отклонения. Нормирующее значение определяется коэффициентом передачи на опорной частоте f0, т.е. значением: KN(f0)=k0,nL2A(f0)/2Um(f0). Опорную частоту выбирают равной 1 кГц.
Нормированная АЧХ определяется отношением: K(f)=KU(f)/KN(f0), которое при постоянстве k0,n и амплитуды испытательного сигнала эквивалентно отношению размеров изображений:
K(f)=L2A(f)/L2A(f0).
Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот, для которого неравномерность логарифмической АЧХ не превосходит 3 дБ, т.е. выполняется неравенство |20lg[K(f)]|3. Это соответствует допустимому изменению функции K(f) в полосе пропускания в 0.707 раз по сравнению со значением на опорной частоте. Таким образом, задача сводится к установлению нижней (fН) и верхней (fВ) границ полосы пропускания. Определение значений облегчается двумя обстоятельствами: 1) функция K(f) заметно отличается от значения K(f0)=1 лишь при приближении частоты к границам fН и fВ; 2) при открытом входе fН=0.
Для нахождения границ полосы пропускания требуется оценка K(f) по её значениям при дискретных значениях аргумента f. Для исследования нижней области полосы частот осциллографа GOS-620 достаточен, например, ряд значений частот f: 1000, 315, 100, 32, 10, 3.2 (Гц); (округлённые значения ряда f010-d/2 при f0=1000 Гц, d=0, 1, 2… Этот ряд обеспечивает постоянный шаг множителя частоты, если выбран логарифмическом масштаб). При исследовании области высоких частот следует воспользоваться рядом fg: 0.1, 0.3, 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10… (МГц). Те значения ряда частот, при которых АЧХ изменяется незаметно по отношению к значению на опорной частоте, можно пропускать. Достаточно оставить 810 значений.
Эксперимент начинают с подачи сигнала генератора синусоидальной формы частотой f0 на вход канала CH1 (MODECH1), затем устанавливают (с помощью регулятора уровня выходного сигнала образцового генератора) значение размера двойной амплитуды в пределах границ рабочей части экрана. (В дальнейшем, при изменении частоты, регулятор уровня не трогают).
Результатами измерений и расчётов заполняют таблицу вида:
Значение L2A(f0)= (дел.), f0=1000 Гц. |
|||||
Область высоких частот. |
Область низких частот. |
||||
Значения частот fg, МГц |
Значения Lg2A, (делений) |
Значения К(fg) |
Значения частот fd, Гц |
Значения Ld2A, (делений) |
Значения К(fd) |
|
|
|
|
|
|
Определить границы рабочего диапазона частот (fН, fВ) можно графическим способом.
Оценка относительной погрешности определения коэффициента передачи для любой частоты (без учёта погрешности установки частоты): К(f)=В0+Вmin+Г, где B0, Вmin – визуальные погрешности определения размера L2A(f0) и минимального из остальных значений L2А; Г=1% – относительная стабильность уровня выходного сигнала генератора. Погрешности, вызванные нелинейностью канала, почти полностью компенсируются и их можно не учитывать.
При выборе коэффициента отклонения следует учитывать его влияние на значение fВ: чем выше чувствительность канала CH1, тем меньше fВ. Особенно ярко эта зависимость проявляется у осциллографов со ступенчатым изменением чувствительности (в 5, 10 раз).
Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Определяют параметры сигнала, с размерностью напряжения, косвенно, согласно уравнению:
U=k0LU (В),
где LU – размер изображения измеряемого параметра. Относительная погрешность (при f<fB/5):
U = В + Ко + НА, %,
где В – визуальная погрешность оценки LU (4.1); Ко – относительная погрешность коэффициента отклонения; НА – относительная погрешность измерения, вызванная нелинейностью канала.
Временные параметры сигнала определяют похожим образом:
Т=kрLТ (с),
где LТ – размер изображения измеряемого параметра. Относительная погрешность измерения:
Т =В + Кр + НР, %,
где В – визуальная погрешность оценки LТ (4.1); Кр – относительная погрешность коэффициента отклонения; НР – относительная погрешность измерения, вызванная нелинейностью развёртки. При измерении длительности ф фронта импульса влиянием динамических характеристик осциллографа можно пренебречь при ф2fB <0.2.
Литература
Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для студ. высш. учеб. заведений/[Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.]; под ред В.В.Алексеева. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. стр. 146-154.