5.4 Погрешности осциллографических измерений

Погрешность измерений параметров сигнала методом непосредственной оценки при помощи осциллографа складывается из трех составляющих. Как видно из выражений (5.2) и (5.3), двумя такими составляющими являются погрешность измерений линейного размера участка осциллограммы h_y или l_x, а также неточное значение масштаба изображения сигнала, т.е. погрешность установления коэффициента отклонения по вертикали k_y или коэффициента развертки k_x. Третьей составляющей является погрешность получения самой осциллограммы на экране ЭЛТ, обусловленная отличием изображения сигнала от реального сигнала, распространяющегося по исследуемым электрическим цепям.

Погрешность измерений линейных размеров участка осциллограммы (визуальная погрешность) складывается из неточности совмещения кривой с рисками шкалы и неточности отсчета положения осциллограммы относительно шкалы. Она носит случайный характер и может быть оценена по выражению

,

(5.4)

где b – толщина линии луча (в долях деления шкалы); h_y – размер участка осциллограммы (дел.).

Из выражения (5.4) следует, что визуальная погрешность тем меньше, чем меньше толщина луча b и чем больше размер h_y. Таким образом, при измерениях параметров сигналов следует добиваться максимальных размеров изображения в пределах рабочей части экрана и тщательно фокусировать луч ЭЛТ.

Погрешность установления коэффициента отклонения k_у (и развертки k_х) определяется погрешностью калибратора _k, используемого для калибровки осциллографа, и погрешности совмещения сигнала калибратора с делениями ЭЛТ _виз. Поскольку такая погрешность носит случайный характер, ее можно оценить по выражению

(5.5)

Для минимизации данной погрешности при калибровке осциллографа также следует добиваться максимальных размеров изображения калибрационного сигнала в пределах рабочей части шкалы. При условии, что искажения осциллограммы сигнала отсутствуют, а составляющие _виз и k_у – случайные, общая погрешность измерений

(5.6)

Погрешность из–за отличия осциллограммы сигнала от реального сигнала обусловлена двумя причинами:

– влиянием подсоединения входных цепей осциллографа на исследуемую электрическую цепь;

– конечной полосой пропускания канала вертикального отклонения (или конечным временем нарастания его переходной характеристики).

Для соединения осциллографа с исследуемыми цепями чаще всего используют коаксиальный кабель, который препятствует наводкам на входную цепь паразитных сигналов. Типичный 50–омный коаксиальный кабель, разомкнутый на конце, имеет погонную емкость порядка 100 пФ/м, которая совместно с входной емкостью осциллографа порядка (30–100) пФ сильно нагружает исследуемую цепь. Кроме того, несогласованный коаксиальный кабель может резонировать, что также может искажать сигнал.

Для точной передачи формы высокочастотных гармонических сигналов или импульсных сигналов с малой длительностью фронта необходимо, чтобы линия передачи между источником сигнала и осциллографом была согласована (R_вх = Zo), т.е. входное сопротивление осциллографа R_вх должно быть равно волновому сопротивлению Zo линии передачи (коаксиального кабеля).

Если же объект измерений имеет высокое выходное сопротивление и не способен работать на 50–омную согласующую нагрузку, для исследования сигнала используют пробники (щупы), которые включают межу объектом измерений и 50–омной нагрузкой, и которые имеют высокое входное сопротивление.

При осциллографировании гармонических сигналов конечная полоса пропускания канала вертикального отклонения вызывает погрешность измерений амплитуды гармонических сигналов. Условием минимизации данной погрешности является соотношение

fв ≥ (3 – 5) fc max,

(5.7)

где f_{c max}. – максимальная частота исследуемого сигнала.

При осциллографировании импульсных сигналов искажения фронта и среза импульса исследуемого сигнала за счет переходной характеристики осциллографа t_нпх не возникают, если используется осциллограф, имеющий значение данной метрологической характеристики

,

(5.8)

где t_фс – длительность фронта исследуемого сигнала.

Если данное условие не выполняется, а длительность фронта сигнала, измеренная по экрану осциллографа, равна t_фэкр, то истинное значение длительности фронта импульса может быть определено по приближенному соотношению

.

(5.9)

/ 1, с. 221 – 249; 2, с. 160 – 174, 187 – 194;/