Измерительная техника и датчики" «применение электронного осциллографа для исследования электрических сигналов

Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
Томский государственный университет систем
управления и радиоэлектроники(ТУСУР)
Факультет заочной и вечерней формы обучения (ЗиВФ)
Кафедра Промышленной Электроники (ПрЭ)
Отчет по лабораторной работе №1 по
дисциплине: "Измерительная техника и датчики"
«применение электронного осциллографа для исследования электрических
сигналов»
Выполнили:
студенты гр. з-М63
__________ Семенов В.С.
__________ Ковалёв А.А.
«____» ____________2023 г.
Проверил:
Кандидат технических наук
____________ В.Ф. Отчалко
«____» ____________2023 г.
Томск 2023
1
Введение
Цель работы: целью работы является изучение устройства универсального
осциллографа и методов измерения параметров электрических сигналов.
2.Основные положения
Упрощенная структурная схема осциллографа (рисунок 2.1) состоит из
двух каналов формирования сигналов по координатам X и Y и канала Z,
предназначенного для модуляции яркости луча электронно-лучевой трубки.
Канал вертикального отклонения, предназначенный для передачи исследуемого
сигнала на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки
ЭЛТ, состоит из последовательно соединенных аттенюатора (ослабителя) АТТ и
усилителя Y. Такое соединение необходимо для расширения динамического
диапазона исследуемых сигналов. Таким образом, отклонение луча ly на экране
будет пропорционально напряжению подаваемого на вход Y сигнала и будет
характеризоваться коэффициентом отклонения Kоткл, используя который можно
определить амплитуду (размах) входного сигнала: Uy = Kоткл⋅ly . Коэффициент
отклонения имеет фиксированные значения и размерность Вольт/дел. и указан
на положениях переключателя входного аттенюатора. Эти фиксированные
значения справедливы только при максимальном, плавно регулируемом
усилении усилителя.
Рисунок 2.1 - упрощенная структурная схема осциллографа.
2
Канал горизонтального отклонения выполняет две функции: развертывание
сигнала пропорционально времени и отклонение луча любым сигналом, поданным
на вход X. В первом случае на горизонтальные пластины подается сигнал от
генератора пилообразного напряжения ГПН (рисунок 3.1) при положении 1
переключателя П2. В этом случае луч по оси X передвигается прямо
пропорционально времени, позволяя наблюдать на экране сигнал y(t). Временной
масштаб развертки характеризуется крутизной наклона пилообразного напряжения
и регулируется переключателем длительности развертки с указанием численного
значения Kразв, имеющего размерность время/дел., с помощью которого можно
определить отрезок времени по формуле τ = Kразв⋅ lx (3.2) Важным условием
неподвижного изображения наблюдаемого на осциллографе сигнала является
синхронизация частоты развертывающего напряжения и частоты исследуемого
сигнала. При внутренней синхронизации (переключатель П1 поставлен в
положение 1) входной сигнал поступает на ГПН, осуществляя синхронность
развертки. При внешней синхронизации (переключатель П1 поставлен в
положение 2) синхронизирующий сигнал должен быть подан извне на гнездо
«ВНЕШН. СИНХР.» При этом ручкой на осциллографе «УРОВЕНЬ
СИНХРОНИЗАЦИИ» следует отрегулировать неподвижность изображения на
экране. Особое место в работе осциллографа представляет режим внешнего
запуска, используемого, как правило, для наблюдения импульсных процессов по
длительности много меньших их периода повторения (импульсы большой
скважности). В этом режиме запуск развертки осуществляется подачей на вход
«ВНЕШН.» синхроимпульса, предшествующего наблюдаемому сигналу на
некоторый промежуток времени, устанавливаемый обычно в стандартных
импульсных генераторах как «ЗАДЕРЖКА». Длительность развертывающего
сигнала ГПН устанавливается сравнимой с длительностью наблюдаемого
импульсного процесса, что позволяет проводить наблюдение и измерение
параметров короткого импульсного процесса, каким является, в частности, фронт
импульса. В случае использования канала Х для подачи любого сигнала
переключатель П2 устанавливается в положение 2. В разных осциллографах эта
операция производится по-разному, что всегда отражено в технических описаниях
осциллографа. При этом внешний сигнал подается на ВХОД Х. Канал Z
используется для модуляции яркости свечения луча, применяемой для подсвета
прямого хода развертки, создания меток времени, электронной лупы и т.д. и т.п. На
«ВХОД Z» для управления яркостью луча можно подать внешний сигнал, но при
этом частота подаваемого сигнала должна быть когерентна частоте исследуемого
сигнала, а значит и частоте развертки.
3
3.Результаты работы и их анализ
3.1 Определение верхней граничной частоты полосы пропускания канала
вертикального отклонения.
Характеристики сигнала №1 подаваемого на вход осциллографа: Uд = 5 В, f1
= 1 кГц.
Настройки осциллографа: Коткл = 2 В/дел, Kразв = 0,5 мс/дел.
Измеренное амплитудное напряжение Um = 7,2 В.
Согласно задания, увеличивая частоту генератора, необходимо уменьшить
отклонение на экране осциллографа в √2 раз, то есть сделать его равным
действующему значению подаваемого на вход напряжения Uд. Это происходит при
частоте генератора f2 = 6,4 МГц. Данная частота является верхней граничной
частотой fв = 6,4 МГц.
Согласно полученных данных, вычисляем время нарастания фронта:
tн =
0,35
𝑓в
=
0,35
6,4×106
= 54,69 нс
3.2 Измерение параметров импульсного сигнала.
Параметры подаваемого сигнала: Um = 30 В, fп = 1,0 кГц, t = 400 мкс.
Настройки осциллографа: Коткл = 2 В/дел, Kразв = 0,1 мс/дел.
Измеренное амплитудное напряжение импульса:
Uy = ly * Коткл = 6 * 2 = 12 В
Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо
произвести оценку точности измерений.
0,4𝑞
𝑙
где q – толщина луча на экране в мм,
l – измеренное отклонение в мм.
Относительная погрешность измерения амплитуды импульса:
𝛿𝑙 =
2
δUимп. = √𝛿𝑙𝑦2 + 𝛿𝐾откл.
= √(
0,4∗1 2
60
) + (0,03)2 = 0,03 = 3%
где, δUимп. – относительная погрешность измерения амплитуды импульса,
𝛿𝑙𝑦2 – относительная погрешность измерения отклонения (размера
импульса по вертикали),
4
2
𝛿𝐾откл.
– предел допустимой основной погрешности канала
вертикального отклонения.
Абсолютная погрешность измерения амплитуды импульса:
∆ Uимп. = δUимп. * Uy = 0,03 * 12 = ±0,36 В
Таким образом результат измерения:
Uизм = (12 ± 0,36) В
Измеренный период импульса:
T = lX * Kразв = 10 * 0,1 = 1 мс
Измеренная длительность импульса:
τ = lx * Kразв = 8 * 0,05 = 0,4 мс
Для представления результата согласно правил метрологии, необходимо
произвести оценку точности измерений.
Относительная погрешность измерения длительности импульса:
2
δτимп. = √𝛿𝑙𝑥2 + 𝛿𝐾разв.
= √(
0,4∗1 2
80
) + (0,03)2 = 0,03 = 3%
Абсолютная погрешность измерения длительности импульса:
∆ τимп. = δτимп. * τ = 0,03 * 0,4 = ±0,012 мс
Таким образом результат измерения:
τизм = (0,4 ± 0,012) мс
Относительная погрешность измерения периода повторения импульса:
2
δТимп. = √𝛿𝑙Х2 + 𝛿𝐾разв.
= √(
0,4∗1 2
100
) + (0,03)2 = 0,03 = 3%
Абсолютная погрешность измерения периода повторения импульса:
5
∆ Тимп. = δТимп. * Т = 0,03 * 1 = ±0,03 мс
3.3 Определение частоты повторений импульса
Определение частоты повторений импульса по результатам предыдущих
измерений:
F = 1/T = 1/(1*10-3) = 1000 Гц
Относительная погрешность частоты повторений импульса:
δF = δT = 0,03 = 3%
Абсолютная погрешность частоты повторений импульса:
∆F = δF * F = 0,03 * 1000 = 30 Гц
Результаты измерения частоты и периода повторения импульсов с помощью
частотомера:
Fимп. = 1,052 кГц
Т = 1 мс
Результаты измерения периода импульса сведены в Таблицу 1.
Метод
С использованием
Параметр
калиброванной
Метод сравнения
частотомера
развёртки
Частота
1
1,052
повторения, кГц
Погрешность
0,003
0,0001
измерения, кГц
Заключение:
В данной работе был изучены принцип работы универсального осциллографа и
методы измерения параметров электрических сигналов с его помощью. В ходе
выполнения лабораторной работы было установлено, что применение аналогового
осциллографа для определения частоты повторения импульса является
нецелесообразным. Для измерения длительности импульса и длительности
переднего фронта осциллограф является безальтернативным прибором, но для
получения более точных результатов лучше использовать цифровой осциллограф,
6
поскольку он позволяет отказаться от использования геометрических средств
измерений.
7