2.5. Применение электронных осциллографов

Измерение напряжения. Для этой цели достаточно знать чувст­вительность канала Y осциллографа (Sy) при каждом положении .переключателя, изменяющего коэффициент передачи канала Y, т.е. изменяющего коэффициент усиления усилителя вертикального отк­лонения и коэффициент деления входного делителя. Измерив по координатной сетке координату изображения сигнала на экране при желаемой координате Y, получим значение входного напряжения :

Uy= y / Sy= y * Cy

где Cy – цена деления по оси y координатной сетки ( величина , обратная чувствительности). Переключатель коэффициента передачи канала Y у современных осциллографов имеет оцифрованную шкалу, на корой нанесены значения цены деления для каждого положения переключателя. Эти значения соответствуют действительности , если канал предварительно откалиброван , как описано в разделе 2.4.

Погрешность измерения напряжения определяется погрешностью калибровки осциллографа, нелинейностью амплитудной характеристи­ки осциллографа, т.е. нелинейностью преобразования “ напряжение - отклонение луча “ и погрешностью измерения линейных размеров изображения (влияют конечность диаметра светящегося пятна и не­точность отсчета из-за кривизны экрана). В погрешность калибров­ки входит погрешность калибрующего напряжения и погрешность измерения ординаты его изображения на экране. Общая погрешность измерения напряжения для универсальных осциллографов составля­ет от 2 до 20% и приводится в техническом описании осциллографа.

Для уменьшения погрешности применяется метод разновременно­го сравнения. Измерение проводится в два этапа. Сначала на вход канала подается исследуемый сигнал и считывается размер его изображения. Затем на тот же вход подается образцовый сигнал, который изменяют до тех пор, пока размер его изображения на эк­ране не сравняется с размером измеряемого. Метод исключает погрешность нелинейности амплитудной характеристики и погрешность калибровки.

Измерение временных интервалов. Для этой цели достаточно знать скорость V движения луча по оси Х экрана и измерить по координатной сетке интересующий отрезок на оси X. Измеряемый интервал t=x / V= x * Cx , где Сх - цена деления по координате Х координатной сетки. Современные осциллографы имеют калиброванную развертку, переключатель скорости развертки имеет оцифрованную шкалу и для каждого положения переключателя указана цена деле­ния.

Погрешность измерения временных интервалов состоит из погр­ешности, с которой задана скорость развертки и погрешности из­мерения линейных размеров на экране.

Общая погрешность приводится в техническом описании и сос­тавляет около 5%.

Измерение частоты. При измерении частоты используют два метода. Один из них заключается в измерении периода Т и последую­щем вычислении частоты f= 1 / T. Точность этого метода невысо­ка и определяется точностью измерения временного интервала.

Для точного измерения используют метод сравнения с образцовой частотой. Для этого, генератор развертки осциллографа отключа­ют и на входы "Y" и "X" подают напряжение измеряемой частоты и образцовой. Затем изменяют образцовую частоту до получения неподвижной фигуры Лиссажу, чаще всего эллипса. Эллипс на экра­не получается при равенстве частот измеряемой ( f_и ) и образ­цовой ( f_o ), как это было показано в разделе 2.3. Погрешность измерения при неподвижной фигуре Лиссажу определяется погреш­ностью установки образцовой частоты. Если f_и не равна f_o , но кратна ей, получается более сложная фигура. Чтобы определить по ним f_и надо определить число выпуклостей фигуры по верти­кальной N_В и горизонтальной N_Г оси. fи = fо*Nг / Nв. Недостаток этого метода - неподвижная фигура получается при высокостабильной f₀ . Это не всегда удается получить.

Измерение разности фаз обычно проводят методом линейной развёртки. Опорным напряжением U₁ ,относительно которого из­меряется фазовый сдвиг , выполняют внешнюю синхронизацию развертки. Одновременно это же напряжение U₁ подают на вход канала Y и отмечают на экране положение некоторой опорной точки периода (например, точка 1 на рис.10).

З атем подают на вход ка­нала напряжение U₂ , сдвинутое по фазе относительно U₁. На входе синхронизации по-прежнему остается U₁ , причем ручки регулировки синхронизации обязательно должны оставаться в том же положении, при котором была отмечена опорная точка на экране. При поданном на вход канала напряжении U₂ отмечают вторую опор­ную точку (точка 1^/ на рис.10). Измерив по координатной сетке расстояние X между опорными точками и длину периода Х₀ , рассчиты­вают фазовый сдвиг = 360 * X / X₀ .

Кроме обычных электронных осциллографов распространены при­боры под названием "мультиметр". Последние обладают более широ­кими возможностями. Позволяют кроме визуального наблюдения иссле­дуемого сигнала производить замеры параметров и представлять ре­зультат на экране в цифровом виде. Кроме того имеется возможность замера интервалов времени, постоянных напряжения, тока и сопро­тивления.

3. Задание и порядок выполнения работы

3.1. Изучить принцип действия и устройство осциллографа, а также его применение для целей измерения.

3.2. С помощью осциллографа проконтролировать форму выходного напряжения генератора синусоидального напряжения, зарисовать ос­циллограммы. При этом выполняются следующие операции. Проконтро­лировать не нажатое состояние всех кнопок установки К32 и генерато­ра сигналов Л31. Присоединить входной разъем кабеля к левому вы­ходному гнезду генератора ЛЗ1 с надписью " 10 V 500 ", а выходные штекеры кабеля - к гнездам К32 с надписью "ВХОД ГС". Включить кнопки "СЕТЬ" Л31 и КЗ2, а также кнопку на установке К32 "+15-I5". Нажать на генераторе ЛЗ1 кнопку рода работ с индексом " ~ " , кнопку множителя "I". Ручкой "ЧАСТОТА" установить частоту 10 кHz по нижней шкале. Ручку "УРОВЕНЬ" установить в правое положение. Кабель входа осциллографа CI-73 присоединить к гнездам уста­новки К32 "ВЫХОД ~ ". Нажать на К32 кнопку "ГС1".

Переключатель входа Y установить в положение " ~ ". При этом вход Y воспринимает постоянную и переменную составля­ющую исследуемого сигнала. Ручки масштабов по входам Y и Х установить в положения, при которых размер изображения на экра­не удобен для наблюдения. Вторые ручки входов Y и Х (меньшего диаметра) должны находиться в крайне правом положении. При этом масштаб входов Y и Х соответствует значениям оцифрованной шкалы. При измерениях использовать внутреннюю синхронизацию развер­тки (тумблер "СИНХР." на правой стенке осциллографа в положение " "). Режим работы генератора развертки - ждущий. При этом ручка "УРОВЕНЬ" ставится в любое крайнее положение, вращением ручки "СТАБ." влево добиться исчезновения изображения. Далее вращением ручки "УРОВЕНЬ" добиться устойчивого изображения. За­мерить амплитуду и длительность периода исследуемого сигнала. Провести аналогичные замеры при другой частоте, задаваемой от генератора Л31 (в 1,53 раза отличающейся от первоначальной). Рассчитать значение частоты f = 1 / T. Зарисовать осциллограммы в отчет. Определить погрешность измерений. Предел относительной погрешности коэффициента отклонения по входу Y и коэффициен­тов развертки не более 7%.