Осциллографические методы измерения частоты
10.2.1. Измерение частоты методом линейной калиброванной развертки
Схема подключения источника сигнала к осциллографу приведена на рис. 10.1, а.
(10.1)
Рисунок 10.1, а
Измеряемый сигнал uc(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР uГР(t). Порядок функционирования блоков осциллографа определяется структурной схемой на рис. 10.1, б. На экране наблюдается осциллограмма, которая для синусоидального сигнала будет иметь вид, приведенный на рис. 10.2.
Рисунок 10.1, б
Рисунок 10.2
Определяем геометрический размер [дел], соответствующий целому числу периодов сигнала. Период и частота исследуемого сигнала определяются из соотношений
(10.2)
где n – целое число периодов сигнала
— коэффициент отклонения по горизонтали (цена деления по оси X) []. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя скорости развертки (калиброванная величина).
Погрешность измерения периода по аналогии с разделом 8.3 определяется из соотношений:
– систематическая абсолютная составляющая
(10.4)
– СКО случайной составляющей
(10.5)
Где- абсолютная погрешность измерения геометрического размера [дел];
— абсолютная погрешность задания коэффициента
— СКО погрешность измерения величины [дел]
— СКО погрешности задания коэффициента .
10.2.2. Измерение частоты методом линейной развертки с внешним генератором образцовой частоты
Рисунок 10.3 5.9
Рисунок 10.4
 |
Рисунок 10.5
(10.6)
Измеряемый сигнал uc(t) подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР uГР(t). Источник образцовой частоты подключается к входу Z осциллографа (рис.10.3). Порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис.10.4. На осциллограмме возникают яркостные метки. Подсчитывается их число “n” в одном периоде сигнала рис. 10.5. Измеряемая частота определяется из соотношения , при условии, что .
10.2.3. Измерение частоты методом синусоидальной развертки — производится во втором основном режиме работы осциллографа (П1 в положении 2). Гармонические сигналы подаются на входы Y и X осциллографа.
Схема подключения источников сигнала приведена на рис. 10.6.
Порядок функционирования блоков осциллогафа определяет структурная схема, представленная на рис. 10.7. На экране наблюдаем фигуру Лиссажу, вид которой зависит от частотных и фазовых соотношений поданных сигналов. Полученная фигура мысленно пересекается двумя взаимно перпендикулярными осями. (Оси не должны проходить через узлы фигуры). Подсчитывается количество точек пересечения с осью X — и осью Y — (рис. 10.8). В этом случае выполняется соотношение
Рисунок 10.6
Рисунок 10.7
Рисунок 10.8
Откуда неизвестная частота определится как
(10.7)
Где — известная частота [Гц].
10.2.4. Измерение частоты методом круговой развертки производится во втором режиме работы осциллографа (переключатель П1 переводится в положение 2).
Рисунок 10.9. Схема подключения источников сигналов
Рисунок 10.10
Рисунок 10.11
(10.8)
На входы Y и X подаются гармонические сигналы неизвестной частоты. Фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы между ними . На вход Z поступает образцовая частота от дополнительного источника. Порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис. 10.10. Подсчитывается число “n” яркостных меток на круговой развертке (рис.10.11). Измеряемая частота определяется из соотношения , при условии, что
Похожие материалы:
univer64.ru
Лабораторная работа №2 – iii осциллографические методы измерения частоты цель
Лабораторная работа №2 – III.
Осциллографические методы измерения частоты.
Цель: понять причину получения на экране фигур Лиссажу,оценить точность измерения частот этим методом; научиться использовать возможности этого метода наблюдать искажения формы колебаний.
Оборудование: генератор Г3-34; щиток питания ~6 В (жёлтое гнездо и гнездо ┴).
Содержание и метод выполнения работы.
Общие сведения: широкое распространение при измерении частоты синусоидальных и импульсных периодических сигналов получили осциллографические методы измерений. Это объясняется возможностью их использования в широком диапазоне частот (10 – 20 мГц), простотой и достаточно высокой точностью результатов измерений. Эти методы относятся к методам сравнения, при которых частота исследуемого сигнала определяется путём сравнения с частотой образцового генератора. При этом в качестве индикаторного устройства используется осциллограф. В этой работе используется метод интерференционных фигур (фигур Лиссажу).
П
ри изменении частоты синусоидальных или импульсных периодических сигналов синусоидальный сигнал образцового генератора подаётся на вход канала горизонтального отклонения и используется для получения развёртки (разворачивания изображения по горизонтали), а сигнал измеряемой частоты – на вход вертикального отклонения (рис 1). Частоту образцового генератора изменяют до тех пор, пока на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа не будет получено устойчивое изображение какой-нибудь фигуры – фигуры Лиссажу. Устойчивое изображение фигуры наблюдается лишь в том случае, когда частоты сигналов исследуемого и образцового генераторов равны или относятся друг к другу как целые числа. Если сигнал исследуемой частоты гармонический, то при равенстве частот на экране наблюдается простейшая фигура – эллипс (частный случай — окружность или прямая линия).
По форме фигур Лиссажу можно определить отношение частот. Для этого мысленно вписывают фигуру в прямоугольник так, чтобы петли фигуры касались его сторон. Число точек касания фигурой сторон прямоугольника
даёт отношение частот напряжений, отклоняющих электронный луч по этим направлениям. Определить частоту можно по формуле:
,
где n – число точек касания фигуры Лиссажу с вертикальной линией;
m – число точек касания фигуры Лиссажу с горизонтальной линией.
При небольшой разнице частот фигура на экране медленно вращается, проходя все фазовые соотношения от 0 до 3600. Разницу частот ∆f можно определить, если заметить время изменения фазы на 3600, т.е. период Т. Тогда ∆f=1/Т. Так можно определить разность частот до долей герца.
П
огрешность измерения частоты методом интерференционных фигур зависит от точности градуировки генератора образцовой частоты и от стабильности сравниваемых частот.
Абсолютная погрешность измерения частоты определяется в основном погрешностью установки частоты образцового генератора.
Фигуру Лиссажу можно построить, графически получая геометрическое место точек UX и UО на плоскости XOY, если каждая точка соответствует одному и тому же моменту времени.
Практический способ построения приведён на рис 4.
Порядок выполнения работы.
1.Включить питание осциллографа и звукового генератора и дать им прогреться 4 – 5 минут.
2.В качестве источника стабильных колебаний (эталонной частоты) в этой работе применяется сеть промышленной частоты (6 В, 50 Гц). Включите жёлтый провод в жёлтое гнездо щитка питания.
3.Установите на звуковом генераторе частоту 50 Гц и получите на экране осциллографа устойчивое изображение фигуры Лиссажу. Обратите внимание на слегка искажённую форму окружности.
4.Прокалибруйте шкалу генератора на частотах 25; 50; 100; 150 и200 Гц. Все полученные данные занесите в таблицу.
Контрольные вопросы.
1.Объясните причины возникновения на экране фигур Лиссажу.
2.Оцените точность данного метода измерения частот.
3.Объясните причины искажений формы окружности.
Лабораторная работа №3 – III.
Резонансная кривая последовательного колебательного контура.
Цель: построить резонансную кривую колебательного контура. вычислить индуктивность катушки колебательного контура.
Оборудование: измеритель добротности Е9-5А, катушка индуктивности
Содержание и метод выполнения работы.
Замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности L и конденсатор С, в которой могут возбуждаться электрические колебания, называется колебательным контуром (КК). Колебания ток и напряжения в КК связаны с переходом (превращением) энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно. Процессы накопления электрической и магнитной энергии, а также убыль части энергии из за тепловых потерь в КК определяются ёмкостью С, индуктивностью L и активным сопротивлением R.
Если в КК включить источник электрических гармонических колебаний, то в цепи вначале возникнут сложные колебания, представляющие собой сумму собственных затухающих колебаний и вынужденных гармонических колебаний. Через некоторое время собственные колебания затухнут и останутся только вынужденные (установившийся режим). Время затухания собственных колебаний в КК определяется декрементом затухания δ или добротностью Q.
Кривые зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты ω называются резонансными кривыми. По существу это амплитудочастотные характеристики КК (рис 2). При значениях ω, близких к резонансной частоте 
в КК имеет место резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний (резонанс).
C
повышением частоты сопротивление ёмкостной цепи уменьшается и ток в ней растёт, сопротивление индуктивной цепи увеличивается, а ток в ней уменьшается.
На резонансной частоте ω0 реактивные сопротивления становятся численно равными. При этом токи индуктивной и ёмкостной ветвей также равны (резонанс токов).
З
ависимость тока в контуре или напряжения на контуре от частоты подводимого напряжения или тока называется резонансной кривой (рис 3 ), где UО — напряжение на контуре при резонансе, U – напряжение на контуре при расстройке. Частотная избирательность КК определяется его полосой пропускания 2∆ω, где ∆ω – разность между ω0 и частотой, при которой амплитуда тока или напряжения на контуре в 
раз меньше, чем при резонансе. В данной работе для исследования характеристик КК используется прибор под названием куметр (или Q – метр). Действие куметров основано на использовании резонансных явлений, что позволяет измерение добротности сочетать с измерением резонансным методом индуктивности, ёмкости, собственной резонансной частоты и ряда других параметров испытуемых элементов.
Упрощенная схема куметра приведена на рис 4. Он содержит три основные части: генератор высокой частоты, измерительный контур и высокочастотный электронный вольтметр V. Исследуемая катушка индуктивности LХ включается в измерительный контур последовательно с образцовым конденсатором СО переменной ёмкости и безреактивным резистором связи RО. Через резистор R0 в контур вводится от генератора напряжение UО требуемой высокой частотыω. Возникающий в контуре ток создаёт падение напряжения UС на конденсаторе СО, которое измеряется электронным вольтметром V.
Входное сопротивление электронного вольтметра V очень велико; потери в конденсаторе СО ничтожно малы. Поэтому при малом сопротивлении резистора связи, не превышающем 0,1 Ом, можно считать, что активное сопротивление контура в основном определяется сопротивлением потерь исследуемой катушки.
Изменением ёмкости С0 измерительный контур настраивают в резонанс с частотой ω генератора по максимальным показаниям вольтметра V. При этом в контуре будет протекать ток 
, создающий на конденсаторе падение напряжения .
Учитывая, что при резонансе 
, находим:
QL ,
где QL=
— добротность катушки LХ на частоте ω. Следовательно, показания вольтметра V пропорциональны добротности QL .
Максимальных значений показания вольтметра V достигнут при выполнении условия ω=ω0
. При Q »1 ω≈ωО.
Порядок выполнения работы.
1. Подготовьте прибор к работе. Для этого включите его и дайте прогреться 2 – 3 минуты. Ручкой «установка К» установите стрелку прибора «коэффициент уровня К» на нулевое деление. Затем ручкой «нуль Q» установите стрелку куметра на нулевое деление. И в завершение ручкой «установка К» установите стрелку того же прибора на деление 1.
2. На 3 — 4 частотах генератора в пределах диапазона 45 – 75 мГц, запишите ёмкости конденсатора С , при которых будет получен резонанс. Для этого на каждой из этих частот изменяйте ёмкость контура ручкой «ёмкость рF», добиваясь максимального отклонения стрелки прибора, т.е. резонанса.
На этих же частотах запишите показания шкалы измерителя добротности контура Q (амплитуда в условных единицах), поддерживая коэффициент К на уровне 1.
Вычислите индуктивность катушки L.
5. Постройте частотную характеристику колебательного контура вблизи частоты 50 мГц. Для этого на заданной частоте изменением ёмкости контура настройте его в резонанс. Затем, изменяя частоту генератора в одну и в другую стороны от резонансной частоты, запишите значения частот и соответствующие им показания вольтметра V. В этом опыте напряжение, измеряемое прибором, следует записывать в условных единицах.
6. Используя построенный график, определите полосу пропускания колебательного контура.
Контрольные вопросы.
1.Можно ли по частотной характеристике колебательного контура сделать выводы об избирательности этого контура.
2.Есть ли связь между формой частотной характеристики и чувствительностью приемника, имеющего такой колебательный контур.
3.(Дополнительный вопрос) Как в порядке измерений п.5 меняется добротность колебательного контура?
Лабораторная работа №4 – III.
Релаксационный генератор на газонаполненной лампе.
Цель: исследовать зависимость частоты колебаний, вырабатываемых генератором от от изменений R и С.
Оборудование: лабораторный стенд с релаксационным генератором не газонаполненной лампе; источник питания; осциллограф.
Содержание и метод выполнения работы.
1. Несамостоятельная проводимость газового столба.
Действие ряда ионизирующих факторов (космическое излучение, фотоэлектронная эмиссия, естественный радиоактивный фон и пр.) обусловливает присутствие в газе некоторого количества остаточных ионов, которые способствуют возникновению тока через газовый промежуток.
Если имеется электронная лампа с двумя холодными электродами, пространство между которыми заполнено разреженным газом, то при отсутствии электрического поля ионы газа и свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного хаотического движения.
При подаче напряжения на электроды лампы ионы под действием электрического поля будут двигаться к отрицательно заряженному электроду – катоду, а электроны – к положительно заряженному электроду – аноду. В лампе возникает электрический ток. Такой вид газового разряда называют несамостоятельным.
Следует обратить внимание на то что при ионной проводимости газов не соблюдается закон Ома. Вольтамперная характеристика в этом случае имеет довольно сложный характер. В случае несамостоятельной электропроводности получается график, показанный на рис 1. Только при небольших значениях U график имеет вид прямой, т.е.
закон Ома приближенно сохраняет силу; с ростом U кривая загибается и, начиная с некоторого напряжения – обычно нескольких десятков вольт, — переходит в горизонтальную прямую. Это означает, что, начиная с некоторого напряжения, ток сохраняет постоянное значение, несмотря на увеличение напряжения. Это постоянное, не зависящее от напряжения значение величины тока называют током насыщения. Нетрудно понять смысл полученных результатов. Вначале с ростом напряжения увеличивается число ионов, проходящих за единицу времени через сечение разряда, т.е. увеличивается ток I, однако, как бы быстро ни двигались ионы, число их, проходящее через это сечение за единицу времени, не может быть больше, чем общее число ионов, создаваемых в единицу времени внешним ионизирующим фактором.
2. Самостоятельная проводимость газового столба.
Если после достижения тока насыщения в газе продолжать значительно повышать напряжение, ток внезапно, скачком резко возрастёт. Скачок тока показывает, что число ионов сразу резко возросло. Причиной этого является само электрическое поле.
При сравнительно небольших значениях напряжённости поля соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральными молекулами газа происходят так же, как соударения упругих шаров. Однако при достаточной напряжённости поля кинетическая энергия, накопленная ионом между двумя столкновениями, может оказаться достаточной для того, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при столкновении. В результате образуется новый свободный электрон и положительно заряженный остаток – ион. Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы оторвать электрон от атома, — работой ионизации. Величина этой работы зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов.
В результате ударной ионизации увеличивается число ионов и электронов в газе, причём в свою очередь они под влиянием поля тоже приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Описанный процесс был назван ионной лавиной. Величина напряжения зажигания зависит от конструкции лампы, от выбора газа и от давления газа, которые определяют соответственно характер изменения электрического поля между электродами, энергию ионизации, длину свободного пробега электрона и иона от столкновения до столкновения, от которой зависит кинетическая энергия, которую частица успевает накопить до момента столкновения. От давления зависит и время рекомбинации. От выбора газа зависит цвет свечения.
3.Генерация несинусоидальных колебаний.
Существенным отличием генератора релаксационных колебаний от генераторов синусоидальных колебаний является отсутствие свободных (без источника энергии) колебаний -в релаксационном генераторе имеется лишь один накопитель энергии, например, ёмкость. Процесс получения колебаний состоит в том, что энергия источника поступает сначала в накопитель. После того как энергия в нём достигнет определённого значения, открывается путь для стока энергии, причём обычно сток энергии (разряд накопителя) происходит значительно быстрее заряда. Далее вновь начинается накопление энергии, и процесс повторяется.
На газоразрядных лампах с двумя устойчивыми состояниями (проводящим и непроводящим) легко создавать релаксационные генераторы, использующие явление заряда и разряда конденсатора (рис 2).
При включении источника питания ЕА происходит заряд конденсатора С до напряжения зажигания UЗ. При зажигании диода конденсатор С начинает быстро разряжаться через лампу. Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от элементов схемы r, R, С и параметров лампы.
Пусть r+R=RА.
Тогда постоянная времени заряда τЗ=RАС,
разряда τР=Ri C, где
Ri – внутреннее сопротивление открытой лампы.
Т.к. обычно Ri<<RA, то τР<<τЗ.
Л
ампа погаснет, когда напряжение на конденсаторе снизится до значения меньшего напряжения горения UГ. Сопротивление закрытой лампы можно считать практически бесконечно большим. Затем начинается повторный цикл зарядки и разрядки конденсатора. В схеме возникнут релаксационные колебания, близкие по форме к пилообразным (рис 3).
Чем больше ЕА по сравнению с UЗ и τЗ по сравнению с τР, тем круче экспоненты и кривая UA(t) ближе к пилообразной форме.
Частота генерируемых колебаний определяется выражением:
Амплитуда колебаний зависит от разности UЗ-UГ и для данного типа лампы – величина постоянная. Частоту генерируемых колебаний регулируют обычно изменением сопротивления R.
Порядок выполнения работы.
1.Ознакомиться с лабораторным стендом, приборами и принципиальной схемой установки, не включая питания и не трогая органов управления.
2.Включить питание осциллографа. Подать питающее напряжение на релаксационный генератор (голубое гнездо щитка питания). Включить тумблером громкоговоритель на стенде и прослушать работу генератора при различных значениях R и С. Обратить внимание на свечение газа около одного из электродов лампы при различных режимах работы релаксационного генератора.
3.Выключить громкоговоритель. Зарисовать осциллограммы колебательного процесса для нескольких значений R и С. Определить по осциллограммам влияние изменения R и С на период Т релаксационных колебаний. Численное значение частоты и амплитуды колебаний определять при помощи осциллографа.
4.Построить функциональные зависимости Т=f(R) и Т=f(С).
5.Выключить питание приборов.
Контрольные вопросы.
1.Что такое длина свободного пробега электрона.
2.Для чего в схеме стоит r и что может произойти, если его убрать?
3.Что случится, если ССВ закоротить проводником ?
4.У какого электрода лампы наблюдается интенсивное свечение? Почему?
5.Как изменится UЗ, если увеличить давление газа?
6.Почему конденсатор С не разряжается полностью?
7.Объясните работу газонаполненного разрядника антенны в качестве устройства защиты приёмника от близких грозовых разрядов?
8.Почему генератор на газонаполненной лампе не может работать на больших частотах?
9.(Дополнительный вопрос) Почему достаточно часто при вспышке молнии наблюдается насколько последовательных разрядов?
Лабораторная работа №5 – III.
Контур ударного возбуждения.
Цель: построить зависимость T(R) и τ(R) по полученным экспериментальным данным. Сопоставить 
и 
. Сделать выводы.
Оборудование: лабораторный стенд с контуром ударного возбуждения; осциллограф С-1-73, №1; генератор прямоугольных импульсов ТМ-557; магазин сопротивлений.
Содержание и метод выполнения работы.
Колебательный контур (КК) – один из важнейших элементов большинства радиотехнических устройств.
Е
сли конденсатор С КК зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности L, конденсатор станет разряжаться через эту катушку и сопротивление R. в цепи КК потечёт ток. Ток в цепи благодаря действию э.д.с. самоиндукции нарастает постепенно: сначала со значительной скоростью, а по мере разряда конденсатора скорость изменения тока будет уменьшаться, и к моменту, когда конденсатор С разрядится полностью, скорость изменения тока также будет равна нулю, а сама величина тока достигнет максимального значения. За счёт энергии, накопленной магнитным полем катушки, благодаря току самоиндукции при сворачивании магнитного поля, ток продолжает течь в том же направлении, постепенно убывая. Разряженный конденсатор будет заряжаться, сменив полярность на обкладках. Теперь энергия накапливается электрическим полем конденсатора.
Когда она достигнет максимального значения, ток в контуре прекратится. В тот же момент конденсатор снова начнёт разряжаться. В контуре потечёт ток, но уже в обратном направлении. Он постепенно возрастёт до максимальной величины, а затем снова постепенно упадёт до нуля. Этот цикл составляет одно полное колебание. Затем колебательный процесс опять повторится.
Проходя по соединительным проводам и катушке, ток совершает работу по преодолению активного сопротивления R. Часть энергии электрических колебаний превращается при этом в тепло, которое рассеивается. вследствие этих неизбежных потерь колебания в контуре в течение малых долей секунды затухают.
Свободные колебания напряжения на конденсаторе UС (t) в колебательном контуре описываются уравнением:
(1)
Где 
; 
.
Уравнение (1) справедливо при >.
С ростом потерь(т.е. с увеличением R) затухание наступает быстрее.
При < возможен вариант зависимости UC(t), изображённый на рис 4. Такой режим работы КК называется апериодическим.
Под временем затухания τ следует понимать как время затухания амплитуды UС (t) в 2,7 раза.
Для периодического возбуждения колебаний в КК в данной работе используется генератор импульсов с частотой следования импульсов ≈100 Гц. Колебательный контур состоит из конденсатора известной ёмкости С=0,25 мкФ и постоянной индуктивности (L= ? Гн). В контур в качестве изменяемого сопротивления R входит магазин сопротивлений.
Порядок выполнения работы.
1.Включите питание осциллографа и генератора импульсов и не трогая ручек настройки приборов, дать им прогреться 2 – 3 минуты.
2.Магазин сопротивлений привести в состояние R=0. Лёгкими движениями ручек настройки генератора и осциллографа добейтесь на экране неподвижного изображения колебательного процесса.
3.Используя сетку на экране осциллографа, определите период Т собственных колебаний КК и максимальную амплитуду этих колебаний.
4.Постепенно увеличивая затухание (т.е. увеличивая R), наблюдайте последовательную серию осциллограмм. Оцените, меняется ли при этом период Т.
5.Запишите величину сопротивления R, при котором колебание UС(t) становится апериодическим.
6.Вычислите L катушки, входящей в колебательный контур.
Контрольные вопросы.
Каковы требования к периоду колебаний генератора импульсов в данном эксперименте?
Как соотносятся между собой период колебаний и время затухания при переходе к апериодической зависимости?
textarchive.ru
1 Методы осциллографических измерений
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального об-
разования “Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
“ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)
Кафедра теоретических основ радиотехники
____________________________________________________
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по дисциплине “ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА РАДИОИЗМЕРЕНИЙ”
ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Санкт-Петербург
В лабораторной работе изучаются основные методы измерений параметров гармонических и импульсных сигналов с помощью универсального электронно-лучевого осциллографа GOS-6200 с цифровым измерительным блоком. Для получения сигналов сложной формы используется цифровой генератор сигналов произвольной формы фирмы Agilent 33220A.
Осциллограф – радиоизмерительный прибор, предназначенный для отображения временных зависимостей сложных сигналов и измерения их параметров – напряжения и временных интервалов. Название– Осциллограф произошло от двух слов (лат. Oscillo «осцилло» — качаюсь + греч. «графо»- — пишу). Исторически название связано с приборами, фиксирующими форму колебаний на светочувствительную пленку (световые самописцы). В отечественной литературе это определение перешло на электронно-лучевые осциллографы, а затем – и на цифровые. В англоязычной литературе для этих приборов используют более точный термин — осциллоскоп («осцилло» + греч. «скопео» — смотреть).
Методы осциллографических измерений делят на две группы. Первая группа — это традиционные методы визуального наблюдения сигнала на экране аналогового осциллографа и измерения его параметров по калиброванной сетке (метод калиброванных шкал). Более точные методы предусматривают сравнение на экране осциллографа исследуемого сигнала с эталонным (методы замещения и электронных меток). Они используются в цифровых осциллографах и предполагают прямое аналого-цифровое преобразование входного сигнала и сохранение его параметров в оперативной памяти. В этом случае про-
цессы визуализации сигнала и измерения его параметров разорваны во времени. Процедура измерения сводится к извлечению из памяти мгновенных значений сигнала в выбранных временных точках. Калиброванный интервал дискретизации сигнала позволяет определять временные параметры сигнала путем подсчета количества отсчетов в интересующем промежутке.
Метод калиброванных шкал — наиболее часто используемый метод измерения напряжений и временных интервалов с помощью аналоговых осциллографов. Перед измерениями напряжения осциллограф калибруют по вертикали. Для этого на вход Y подают сигнал от встроенного калибратора. Обычно используют сигнал прямоугольной формы (меандр) с точно известными амплитудой и периодом. При калибровке используют плавную подстройку усиления канала Y специальным потенциометром. Цель регулировки — добиться соответствия вертикального размера изображения калибрационного сигнала установленному масштабу (коэффициенту отклонения, нанесенному на шкалу аттенюатора канала). Отметим, что ручка плавного изменения коэффициента отклонения при калибровке должна быть отключена или установлена в крайнее правое положение, обозначаемое обычно КАЛИБР.
В некоторых осциллографах в процессе калибровки проводят балансировку (исключение смещения нуля ) усилителя канала Y. Регулировкой потенциометра БАЛАНС добиваются минимального сдвига осциллограммы при переключении коэффициента отклонения.
После калибровки получают изображение исследуемого сигнала. Выбирают коэффициент отклонения так, чтобы размер изображения составлял 80.. 90 % от высоты шкалы осциллографа. Это позволяет уменьшить относительную погрешность дискретности шкалы. Затем определяют интересующий размер изображения по вертикали в деле-
ниях шкалы. Умножив число делений на установленный коэффициент отклонения, находят искомое значение напряжения.
Измерение временных интервалов методом калиброванных шкал выполняют аналогично. Калибровку осциллографа по оси X проводят плавной подстройкой коэффициента развертки по сигналу калибратора с известным периодом. Это делают специальным потенциометром, позволяющим в небольших пределах менять время прямого хода развертки. Ручка плавного изменения коэффициента развертки должна быть отключена или находиться в положении КАЛИБР. Определяемый временной интервал (в делениях шкалы) умножают на установленный коэффициент развертки. При использовании режима растяжки его надо помножить на коэффициент растяжки (обычно х0.1).
Метод калиброванных шкал прост, нагляден, не требует дополнительных устройств и является основным методом измерений для осциллографа. Точность метода калиброванных шкал определяется погрешностью установки коэффициентов отклонения и развертки, конечной шириной луча и дискретностью шкалы, нелинейностью масштабов по вертикали и по горизонтали.
Компенсационный метод измерения (метод замещения) основан на замещении измеряемого параметра образцовым. При этом осциллограф выступает как устройство сравнения (нульиндикатор).
Измерение напряжения методом замещения производят с помощью двухканального осциллографа в режиме сложения (вычитания) входных сигналов. Можно использовать также осциллограф с дифференциальным усилителем в канале Y. Структурная схема подключения сигнала и источника образцового опорного напряжения U0 к осциллографу представлена на рис.1
Рис.1 Структурная схема измерения напряжения методом замещения
На первый вход подают исследуемый сигнал (например, импульс, амплитуду Um которого надо измерить), на второй – опорное напряжение. Затем опорное напряжение регулируют так, чтобы пьедестал импульса совпал с выбранной заранее горизонтальной линией шкалы (рис.2 а).
Рис.2 Осциллограммы сигнала при измерении амплитуды методом замещения
Фиксируют значение опорного напряжения U01. Затем устанавливают такое значение опорного напряжения U02, при котором с этой же линией шкалы совпадет вершина импульса (рис. 2 б). При необходимости меняют полярность опорного напряжения. Разность напряжений (U02-U01) пропорциональна амплитуде импульса. Коэффициент пропор-
циональности найдем, приравнивая высоту импульса на экране Um/Ko1 и величину перемещения изображения (U02-U01)/Ko2:
Um = (U02 − U01 ) .
Ko1 Ko2
Здесь Ko1 и Ko2 – коэффициенты отклонения по первому и второму входам. Отсюда следует расчетная формула:
Um = | (U02 − U01 ) * Ko1 | |
Ko2 | ||
|
Источником погрешностей данного метода является неточность установки опорного напряжения (погрешность меры), погрешность совмещения точек изображения с линией шкалы (погрешность сравнения) и погрешность установки отношения коэффициентов отклонения.
В методе замещения исключены погрешности, связанные с нелинейностью отклонения по вертикали, дискретностью шкалы, уменьшено влияние конечной ширины луча осциллографа. Метод не требует предварительной калибровки осциллографа, поскольку результат зависит только от отношения масштабных коэффициентов каналов.
Измерение временных интервалов методом замещения производят осциллографами с двойной разверткой. В таких осциллографах установлено два генератора развертки (А и Б). Изображение на экране можно получать как с использованием напряжения развертки А, так и Б. Для измерения длительности методом замещения используют режим, когда развертка Б запускается от развертки А с плавно регулируемой задержкой (поэтому ее иногда называют задержанной разверткой).
Рассмотрим в качестве примера методику измерения длительности импульса методом замещения. Коэффициент развертки А регулируют так, чтобы получить устойчивое, неподвижное изображение импульсов в удобном масштабе. Переключив осциллограф на генератор
Б, подбирают задержку и коэффициент развертки Б так, чтобы получить изображение в центре экрана в крупном масштабе.
Управление запуском генератора Б осуществляется компаратором, сравнивающим постоянное опорное напряжение U0 с напряжением развертки А. В момент равенства этих напряжений вырабатывается импульс запуска развертки Б. Регулируя опорное напряжение от нуля до амплитуды развертки А, можно перемещать начало развертки Б в пределах длительности прямого хода развертки А. При этом изображение (в режиме задержанной развертки Б) будет смещаться по горизонтали. Регулировку опорного напряжения делают калиброванной в долях коэффициента развертки А и обозначают МНОЖИТЕЛЬ ЗАДЕРЖКИ. В осциллографах с цифровыми измерительными блоками задержка градуируется непосредственно в единицах времени.
Регулировкой задержки в режиме развертки Б устанавливают фронт импульса на любую вертикальную линию шкалы и фиксируют значение задержки t1 (рис.3 а).
Рис.3 Осциллограммы при измерении длительности методом замещения
Далее совмещают с этой же линией срез импульса (см. рис.3 б) и фиксируют задержку t2. Длительность импульса будет равна разности задержек. Для калиброванного множителя задержки эту разность необходимо умножить на коэффициент развертки КрА :
τ и = (t2 − t1 ) * KрА
Для цифрового блока двойной развертки длительность будет равна просто разности задержек.
Метод замещения обеспечивает точность измерения временных интервалов выше, чем метод калиброванных шкал. Причины появления погрешности в методе замещения – неидеальная калибровка канала А, нелинейность развертки А, погрешность градуировки задержки, погрешность совмещения точек осциллограммы с линией шкалы. Остальные источники погрешности, характерные для метода калиброванных шкал, здесь исключены.
Метод сравнения с эталоном (метод электронных меток) позволяет значительно увеличить точность осциллографических измерений и повысить их производительность. Суть метода — создание на экране эталонных меток в виде линий (курсоров) или точек (маркеров) и совмещение их с измеряемыми частями изображения сигнала.
Рассмотрим вариант реализации метода сравнения для измерения напряжения (рис.4 а). Электронный коммутатор поочередно под-
а) б)
Рис.4 Принцип создания курсоров для измерения напряжения методом сравнения
ключает к каналу Y измеряемый сигнал и два постоянных напряжения U01 и U02. Значения этих напряжений можно плавно менять. Разность их измеряется и отображается на табло встроенного цифрового вольтметра. На экране формируется изображение сигнала и двух го-
ризонтальных линий – курсоров (см.рис.4 б). Процесс измерения сводится к перемещению курсоров в нужные точки изображения и отсчету значения измеряемого напряжения. Точность измерения зависит от погрешности цифрового вольтметра и неточности совмещения курсоров с выбранными точками сигнала.
Подобным способом измеряют и временные интервалы. Метки времени на экране можно создать с помощью схемы, представленной на рис.5 а.
а) | б) |
Рис.5 Создание электронных меток по оси времени | |
Опорные напряжения U01 | и U02 можно плавно регулировать. Эти |
напряжения сравниваются с напряжением развертки с помощью двух компараторов. На первый подают напряжение U01, на второй – сумму напряжений U01+U02. В моменты равенства напряжения на выходах компараторов образуются импульсы. Триггером формируется прямоугольный импульс, длительность которого соответствует расстоянию между точками пересечения линии развертки опорными напряжениями (см. рис.5 б). Длительность импульса измеряется встроенным элек- тронно-счетным частотомером.
Опорные напряжения и напряжение развертки через электронный коммутатор поочередно подключаются к усилителю канала X. При
10
подаче развертки высвечивается исследуемый сигнал, при подаче опорных напряжений луч находится в точках, соответствующих границам измеряемого интервала. Таким образом, на экране формируются две точки — маркеры длительности. Совмещая маркеры с границами интересующего интервала, получают его значение на табло частотомера.
Погрешность метода включает погрешность измерения временного интервала, нестабильность порога срабатывания компараторов, неточность совмещения меток с точками изображения. Отметим, что при таком способе создания меток на результат не влияет нелинейность напряжения развертки.
Метод электронных меток реализуют в аналоговых осциллографах с встроенными цифровыми измерительными блоками. Схемы формирования меток, подобные рассмотренным выше, в таких блоках часто совмещены. Эталонные сигналы воспроизводятся на экране в виде двух ярких точек — электронных меток (маркеров). Значения напряжения и времени, соответствующие расстоянию между метками по вертикали и горизонтали, выводятся на цифровое табло или прямо на экран электронно-лучевой трубки.
studfile.net
| Археология Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика | Измеряемая частота может быть определена сравнением её с известной опорной частотой fo. Такое сравнение чаще всего производится с помощью электроннолучевого осциллографа или методами биений. Электроннолучевые осциллографы применяются для измерения частот колебаний главным образом синусоидальной формы в диапазоне частот примерно от 10 Гц до значения, определяемого верхней границей полосы пропускания каналов отклонения; погрешность измерений практически равна погрешности калибровки источника колебаний (генератора) опорной частоты f0. Чаще всего измерения проводят при выключенной развёртке осциллографа, пользуясь схемой соединений, показанной на рис. 5. Напряжения измеряемой и известной частот подводят непосредственно или через усилители к различным парам отклоняющих пластин ЭЛТ (в зависимости от того, на какой вход осциллографа эти напряжения воздействуют, будем обозначать их частоты через fx и fy). Если эти частоты относятся друг к другу как целые числа, например 1:1, 1:2, 2:3 и т. п., то перемещение электронного луча приобретает периодический характер и на экране наблюдается неподвижное изображение, называемой фигурой Лиссажу. Форма этой фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых колебаний.
Рис. 5. Схема измерения частоты методом фигур Лиссажу На рис. 6 показано образование фигуры Лиссажу при воздействии на отклоняющие пластины трубки двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты и равных амплитуд, но имеющих различные начальные фазы. Эта фигура имеет вид наклонного эллипса, который при фазовых сдвигах между колебаниями в 0 и 180° сжимается в прямую наклонную линию, а при фазовых сдвигах 90° и 270° — превращается в окружность (условно считаем чувствительность по отклонению обеих пар пластин одинаковой). Если амплитуды напряжений частот fx и fy не равны, то в последнем случае вместо круга на экране будет наблюдаться эллипс с осями, параллельными плоскостям отклоняющих пластин.
Рис. 6. Построение осциллограммы при отношении сравниваемых частот fx/fy = 1 Если отношение частот fx/fy (или fy/fx) равно двум, то фигура на экране принимает вид восьмёрки, которая при начальных фазовых сдвигах 90 и 270° стягивается в дугу. (Начальный фазовый сдвиг всегда оценивается по отношению к периоду напряжения более высокой частоты). Из таблицы, приведённой на рис. 7, видно, что чем больше числа дроби, характеризующей отношение сравниваемых частот, тем сложнее фигура Лиссажу, наблюдаемая на экране. При измерении частоту опорного генератора f0 (равную fx или fy) плавно изменяют до тех пор, пока на экране не возникнет одна из фигур Лиссажу возможно более простой формы. Эту фигуру мысленно пересекают линиями xx и уу, параллельными плоскостям отклоняющих пластин X1, Х2 и Y1, Y2, и подсчитывают число пересечений каждой из линий с фигурой. Отношение полученных чисел точно равно отношению частот fx:fy при условии, что проведённые линии не проходят через узловые точки фигуры или касательно к ней, а форма сравниваемых колебаний близка к синусоидальной.
Рис. 7. Фигуры, наблюдаемые на экране при различных отношениях частот fx/fy Определив отношение fx:fy и зная одну из частот, например fy, легко найти вторую частоту. Вследствие некоторой нестабильности сравниваемых частот устанавливаемое между ними целочисленное или дробно-рациональное отношение постоянно нарушается, что приводит к постепенному изменению формы наблюдаемой фигуры, последовательно проходящей через все возможные фазовые состояния. Если зафиксировать время Δt, в течение которого фигура претерпевает полный цикл фазовых изменений (от 0 до 360°), то можно вычислить разность сравниваемых частот |fx — fy| = 1/Δt, знак которой легко определить экспериментально посредством небольшого изменения частоты f0. На высоких частотах даже весьма малая нестабильность одной из частот вызывает столь быстрые изменения фигуры Лиссажу, что становится невозможным определить отношение частот. Это ограничивает верхний предел измеряемых частот значением примерно 10 МГц. Рис. 8. Схема измерения частоты методом круговой развёртки с модуляцией яркости При целочисленном отношении сравниваемых частот, превышающем 8-10, или дробном их отношении с числами в знаменателе или числителе, большими 4-5, из-за усложнения фигуры Лиссажу возрастает возможность ошибки в установлении истинного отношения частот. Точное определение сравнительно больших целочисленных отношений частот (до 30-50) может производиться методом круговой развёртки с модуляцией яркости изображения (рис. 8). В этом случае напряжение меньшей частоты f1 с помощью двух одинаковых фазорасщепляющих RС-цепочек преобразуется в два напряжения той же частоты, взаимно сдвинутые по фазе на 90°. При воздействии этих напряжений соответственно на входы Y и X осциллографа и регулировке соотношения их амплитуд резисторами R и регуляторами усиления каналов Y и X световое пятно на экране будет перемещаться по кривой, близкой к окружности; последнюю с помощью регулятора яркости устанавливают чётко видимой. Напряжение более высокой частоты f2 подводят к входу модулятора М (или канала Z) и оно периодически будет увеличивать и уменьшать интенсивность электронного луча, а следовательно, и яркость отдельных участков кривой развёртки на экране. При целочисленном отношении частот f2:f1 = m, достигаемом изменением одной из них, кривая наблюдаемой окружности становится штриховой, она состоит из f неподвижных светящихся отрезков равной длины, разделённых тёмными промежутками. При нарушении целочисленного отношения наблюдается вращение штриховой окружности, при большой скорости которого окружность представляется сплошной. Рассмотренный метод можно применить и для измерения частоты повторения fп импульсных колебаний. При этом напряжением опорной частоты f0 осуществляют круговую развертку, регулятором яркости её устанавливают видимой или невидимой в зависимости от полярности (соответственно отрицательной или положительной) подводимых к модулятору импульсных колебаний. Последние будут создавать на линии развёртки в первом случае тёмные разрывы, а во втором — светящиеся точки. Плавным изменением частоты fо (от её минимально возможного значения) добиваются получения на линии развёртки одного неподвижного или медленно перемещающегося следа импульса, при этом fп = f0. |
studopedya.ru
Практическая работа на тему «Измерение частоты осциллографом»
Цель работы:
1) ознакомиться с основными техническими показателями прибора;
2) изучить прибор и усвоить назначение органов управления и правила пользования им;
3) усвоить порядок измерения частоты осциллографом.
Материальное обеспечение: IBM PC
Программное обеспечение: Electronics Workbench
Схема соединения:
Общие теоретические сведения:
Измерение частоты с помощью осциллографов производится путем сравнения измеряемой частоты с эталонной частотой образцового генератора. Практическое применение среди осциллографических методов нашли: метод фигур Лиссажу и метод круговой развертки.
Измерение частоты с помощью фигур Лиссажу заключается в том, что на входы горизонтального X и вертикального Y каналов отклоняющей системы подается напряжение измеряемой fx и образцовой f0 частот. При этом на экране осциллографа наблюдается фигура, которая остается неподвижной, если отношение частот равно отношению целых чисел и носит название «фигуры Лиссажу». В случае неравенства частот на экране возникают сложные фигуры и данным методом определения частоты не пользуются.
Для определения соотношения между частотами мысленно пересекают получившуюся фигуру взаимно перпендикулярными прямыми, но не проходящими через ее узлы и подсчитывают максимально возможное число пересечений фигуры с вертикальной осью nв и с горизонтальной осью nг. Из правила Лиссажу следует nг /nв= fх /f0. Если f0 известна, то fx легко определить из пропорции: fx = f0nг/ nв
Вид фигуры Лиссажу зависит не только от соотношения частот, но и от фазовых соотношений сигналов. Это затрудняет измерение изложенным методом при отношении
Рис. 1. Пример фигур Лиссажу
Так как данный метод измерения основан на применении осциллографа, то будет не лишним напомнить и о нем.
Принцип работы этого универсального прибора (Oscilloscope) основывается на применении электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), содержащей катод, излучающий поток (луч) электронов за счет термоэмиссии, модулятор для управления интенсивностью этого потока, систему его фокусировки, отклоняющую систему в виде двух пар пластин и экран из кристалликов люминофора, которые под действием падающего на них потока электронов высвечивают траекторию движения электронного луча в пространстве, определяемую потенциалами на пластинах отклоняющей системы. Горизонтальные пластины этой системы называются Х-каналом, вертикальные — Y-каналом.
На пластины Y-канала подается исследуемый сигнал после его усиления и масштабирования вертикальным Y-усилителем. Для одновременного наблюдения п сигналов используют п усилителей, выходные сигналы которых с помощью аналоговых коммутаторов поочередно подаются на вход усилителя мощности Y-канала.
На пластины Х-канала подается пилообразный сигнал развертки, длительность (период) которого с помощью системы синхронизации поддерживается равным или кратным периоду исследуемого сигнала в одном из Y-каналов, что позволяет получить устойчивое, а не хаотично «бегающее» изображение контролируемого сигнала.
Осциллограф EWB (рис. 2) имеет два Y-канала (CHANNEL) А и В с раздельной установкой чувствительности в диапазоне от 10 мкВ/дел (V/Div) до 5 кВ/дел (kV/Div) и регулировкой смещения по вертикали (Y POS). Выбор режима по входу осуществляется нажатием курсором мыши кнопок .
Режим АС предназначен для наблюдения только сигналов переменного тока (его еще называют режимом «закрытого входа», поскольку в этом режиме на входе Y-усилителя включается разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую). В режиме 0 входной зажим замыкается на землю. В режиме DC (включен по умолчанию) можно проводить осциллографические измерения как постоянного, так и переменного тока. Этот режим еще называют режимом «открытого входа», поскольку входной сигнал поступает на вход вертикального усилителя непосредственно. С правой стороны от кнопки DC расположен входной зажим.
Режим развертки выбирается кнопками
В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) реализуются следующие режимы развертки: по вертикали — напряжение сигнала, по горизонтали — время; в режиме В/А: по вертикали — сигнал канала В, по горизонтали — сигнал канала А; в режиме А/В: по вертикали — сигнал канала А, по горизонтали — сигнал канала В.
В режиме Y/T длительность развертки (TIME BASE) может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div) до 1 с/дел (s/div) с возможностью установки смещения в тех же единицах по горизонтали, т. е. по оси X (X POS).
В режиме Y/T предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском развертки (EDGE) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала (выбирается нажатием кнопок )
при регулируемом уровне (LEVEL) запуска, а также в режиме AUTO (от канала А или В), от канала А, от канала В или от внешнего источника (ЕХТ), подключаемого к зажиму в блоке управления TRIGGER. Названные режимы запуска развертки выбираются кнопками
Заземление осциллографа осуществляется с помощью клеммы GROUND в правом верхнем углу прибора.
При нажатии на кнопку ZOOM лицевая панель осциллографа существенно меняется (см. рис. 3.) — увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линеек (синего и красного цвета), которые за треугольные ушки могут быть курсором установлены в любое место экрана. При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений (между визирными линейками).
Изображение можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и записать данные в файл нажатием кнопки SAVE. Возврат к исходному состоянию осциллографа производится нажатием кнопки REDUCE.
Рис. 2 Внешний вид осциллографа
Рис. 3. Внешний вид развернутого осциллографа
Порядок выполнения работы
1. Откройте файл EWB «Измерение частоты».
Ознакомиться с приборами и оборудованием, необходимыми для выполнения работы.
Собрать схему, руководствуясь указаниями к сборке и показать ее руководителю.
Проведите исследование фигур Лиссажу при частоте источника Us100, 180, 200, 300, и 400Гц и определите частоту источника Uх в зависимости от количества точек пересечений фигур с осями.
Запустите схему.
Результаты проделанной работы занесите в виде таблицы в отчет.
.
.
6
Указания к выполнению:
1. Для того чтобы открыть файл EWB «Измерение частоты», Вам необходимо найти его в папке и двойным щелчком мыши открыть его. Перед вами откроется следующее окно.
Рис.4. Рабочее окно редактора Elecrtronics Workbench
Нажмите ОК в появившемся сообщении. Теперь перед Вами рабочее окно редактора Elecrtronics Workbench (рис.4) , которое представляет собой наборное поле с расположенной над ним группой функциональных клавиш.
2. Для данной работы Вам понадобится осциллограф, источник Us опорной частоты и исследуемый источник сигналов Uх.
3. Для размещения на наборном поле исследуемой схемы необходимо выполнить следующие действия: 
Навести курсор на функциональную клавишу Instruments, и нажав на нее левой кнопкой мыши (ЛКМ) перед Вами откроется панель инструментов, из которой Вы выберите осциллограф (см. рис. 5).
Рис.5. Панель инструментов
Нажмите ЛМК на изображении осциллографа, и не отпуская ЛКМ путем перемещения курсора поместите его в нужное место наборного поля.
Аналогичным образом из панели инструментов Sources выберите источники опорной и исследуемой частоты (одно и тоже изображение), а так же заземление (см. рис. 6).
Рис.6 Панель инструментов Sources
Обратите внимание на то, что для удобства подключения оба источника должны быть повернуты на 900. Для этого необходимо навести курсор на уже созданный на поле источник, и нажать правую кнопку мыши (ПКМ). В результате появится контекстное меню, в котором необходимо выбрать Rotate.
Теперь необходимо собрать всю схемы воедино, для этого подводим курсор к выводу источника (в конце вывода появляется точка) )и не отпуская нажатую ЛМК ведем до места соединения с осциллографом и т.д.
Для того, чтобы наблюдать изображения фигур Лиссажу необходимо открыть панель осциллографа с помощью двойного щелчка мыши по его изображению на схеме. Затем необходимо произвести первоначальные установки осциллографа, сделав их такими, как показано на рисунке 2.
Теперь схема соединения собрана и осциллограф готов к применению.
4. Чтобы задать необходимую частоту источника Usнеобходимо навести курсор на этот источник, и нажать ПКМ. В результате появится контекстное меню, в котором необходимо выбрать Component Properties. На вкладке Value в разделе Frequence задаете необходимое значение частоты.
5. Запускаем схему с помощью переключателя, который расположен в верхнем правом углу рабочего окна редактора Elecrtronics Workbench, путем нажатия на него ЛКМ.
Контрольные вопросы:
Для наблюдения каких сигналов предназначен режим АС осциллографа?
В каком режиме развертки работает осциллограф, если по вертикали — сигнал канала А, по горизонтали — сигнал канала В?
При соблюдении какого условия на экране осциллографа наблюдается неподвижная фигура Лиссажу?
Назовите осциллографические методы измерения частоты.
Расскажите определение частоты с помощью метода фигур Лиссажу.
infourok.ru
Измерения осциллографом
Измерения осциллографом, как пользоваться осциллографом
Осциллограф — это эффективный современный прибор, предназначенный для измерения частотных параметров электрического тока во времени и позволяющий отображать их в графическом виде на мониторе, либо фиксировать их с помощью самопишущих устройств. Он позволяет измерять такие характеристики электрического тока внутри цепи, как его сила, напряжение, частота и угол фазового сдвига.
Зачем нужен осциллограф?
Нет лаборатории, которая смогла бы функционировать долго без измерительных приборов или источников сигналов, токов и напряжения. Если же в планах заняться проектированием или созданием высокочастотных устройств (особенно серьёзной вычислительной техники, скажем, инверторных блоков питания), тогда осциллограф — это отнюдь не роскошь, а необходимость.
Особенно же хорош он тем, что помогает визуально определить форму у сигнала. Чаще всего именно такая форма хорошо показывает, что именно происходит в измеряемой цепи.
Центром всяких осциллографов выступает электронно-лучевая трубка. Можно сказать, что она вроде радиолампы, внутри, соответственно, вакуум.
Катод осуществляет выброс электронов. Установленная фокусирующая система создаёт тоненький луч из излучаемых заряженных частиц. Специальный слой люминофора покрывает весь экран внутри. Под воздействием заряженного пучка электронов возникает свечение. Наблюдая снаружи, можно заметить по центру светящуюся точку. Лучевая трубка укомплектована двумя парами пластин, которые управляют созданным таким образом лучом. Работа электронного луча осуществляется в направлениях, находящихся перпендикулярно. В итоге получаются две управляющие системы, которые создают на экране синусоиду, в которой вертикаль обозначает величину напряжения, а горизонталь — период времени. Таким образом, можно наблюдать параметры поданного на прибор напряжения в определённых временных промежутках. В зависимости от типа подаваемого на осциллограф сигнала с его помощью возможно измерение не только параметров напряжения, но и других величин того или иного тестируемого агрегата.
Какими они бывают
В настоящее время распространены осциллографы двух типов — аналоговый и цифровой (последний отличается большим удобством, расширенными функциями и зачастую более точен). Оба они работают по одинаковому принципу, и указанные ниже способы измерения физических величин могут применяться на любых моделях этого прибора.
Правильное подключение
При проведении измерений важно правильное подключение прибора к измеряемому участку цепи. Осциллограф имеет два выхода с подключаемыми к ним клеммами или щупами. Одна клемма — фазовая, она соединена с усилителем вертикального отклонения луча. Другая — земля, соединенная с корпусом прибора. На большинстве современных приборов фазовый провод заканчивается щупом либо миниатюрным зажимом, а земля — небольшим зажимом типа «крокодил» (см. фото)
На осциллографах советского производства и некоторых российских моделях оба щупа одинаковы, различить их можно либо по значку «земля» на соответствующем проводе, либо по длине — фазовый провод короче. Подключаются они к входам осциллографа, как правило, стандартным штекером (см. рисунок)
Если маркировка отсутствует, а по внешним признакам выяснить, где какой щуп, не удалось, то проводят простой тест. Одной рукой дотрагиваются до одного щупа, при этом другую руку держат в воздухе, не прикасаясь ни к чему. Если этот щуп идет на фазовый вход, то на мониторе появятся заметные помехи (см. рисунок). Они представляют собой значительно искаженную синусоиду с частотой 50 Герц. Если щуп идет к «земле», то монитор останется без изменений.
При подключении осциллографа на измеряемый участок цепи, не имеющий общего провода, щуп «земля» может быть подключен к каждой из измеряемых точек. Если общий провод имеется (это точка, соединенная с корпусом прибора либо заземленная и условно имеющая «нулевой» потенциал), то «землю» предпочтительнее подключать к ней. Если этого не сделать, то точность измерений сильно упадет (в некоторых случаях такие измерения окажутся очень далеки от истинных значений и доверять им будет нельзя).
Измерение напряжения осциллографом
За основу измерения напряжения берется известное значение вертикального масштаба. Перед началом измерений надлежит закоротить оба щупа прибора либо переключить регулятор входа в положение. Нагляднее см. следующую картинку.
После чего рукояткой вертикальной регулировки надлежит выставить линию развертки на горизонтальную ось экрана, чтобы можно было корректно определять высоту.
После этого прибор подключается на измеряемый участок цепи и на мониторе появляется график. Теперь остается только посчитать высоту графика от горизонтальной линии и умножить на масштаб. Например, если на ниже приведенном графике одну клетку считать за 1 вольт (соответственно, она разбита на штриховые деления в 0,2, 0,4, 0,6, и 0,8 вольт), то получаем общее напряжение в 1,4 вольта. Если бы цена деления была 2 вольта, то напряжение бы равнялось 2,8 вольт и так далее…
Выставление нужного масштаба осуществляется вращением специальных ручек настройки.
Определение силы тока
Для узнавания силы тока в цепи с помощью осциллографа в нее последовательно включают резистор, имеющий значительно меньшее сопротивление, чем сама цепь (такое, чтобы он практически не влиял на ее исправную работу).
После этого производят измерение напряжения по принципу, указанному выше. Зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно, пользуясь законом Ома, рассчитать силу тока.
Измерение частоты с помощью осциллографа
Прибор позволяет успешно измерять частоту сигнала, исходя из его периода. Частота находится в прямо пропорциональной зависимости от периода и рассчитывается по формуле f=1/T, там f — частота, Т — период.
Перед измерением линию развертки совмещают с центральной горизонтальной осью прибора. При проведении измерений осциллограф подключают в исследуемую сеть и наблюдают на экране график.
Для большего удобства, используя ручки горизонтальной настройки, совмещают точку начала периода с одной из вертикальных линий на экране осциллографа. Успешно посчитав количество делений, которое составляет период, следует умножить его на величину скорости развертки.
Рассмотрим на конкретном примере подробнее. Например, период составляет 2,6 делений, развертка — 100 микросекунд/деление. Умножая их, получаем величину периода равную 260 микросекунд (260*10-6 секунд).
Зная период, рассчитываем частоту по формуле f=1/T, в нашем случае частота примерно равна 3,8 кГц.
Измерение сдвига фаз
Сдвиг фаз — это величина, указывающая взаимное положение двух колебательных процессов в течение времени.
Измерение его производят не в секундах, а в долях периода (Т) сигнала. Достичь максимальной точности измерений этого показателя возможно в том случае, если период растянут масштабированием на весь экран.
В современном цифровом осциллографе абсолютно каждый из сигналов имеет свой цвет, что очень удобно при измерениях. В старых же аналоговых вариантах их яркость и цвет, к сожалению, одинаковы, поэтому для большего удобства следует сделать их амплитуду различной. Подготовка измерения сдвига фаз требует точных подготовительных операций.
Первое, что нужно сделать — не подключая прибор к измеряемой цепи, установить ручками вертикальной настройки линии развертки обоих каналов на центральную ось экрана. Затем ручками настройки усиления каналов вертикального отклонения (плавно и ступенчато) 1-й сигнал устанавливается с большей амплитудой, а второй — с меньшей. Ручками регулирования скорости развертки ее величина устанавливается такой, чтобы оба сигнала на экране имели примерно одинаковый период. После этого, регулируя уровень синхронизации, совмещают начало графика напряжения с осью времени. Ручкой горизонтальной настройки устанавливают начало графика напряжения в крайней налево вертикальной линии. Затем ручками регулировки скорости развертки добиваются того, чтобы конец период графика напряжения совпадал с крайней направо вертикальной линией сетки монитора.
Все эти подготовительные операции производят по порядку до тех пор, пока график периода напряжения не растянется на экран полностью. При этом он должен начинаться и заканчиваться в линиях развертки (см. рисунок).
После завершения подготовительного этапа следует выяснить, какой из параметров опережает другой — сила тока или напряжение. Величина, начальная точка периода которой начинается раньше во времени, является опережающей, и наоборот. Если опережающим является напряжение, то параметр угла сдвига фаз будет положительным, если сила тока — отрицательным. Углом сдвига фаз (по модулю) является дистанция между началами и концами периодов сигналов в величине сетки делений монитора. Он рассчитывается по такой формуле:
В ней величина N — это количество клеток сетки, которые занимает один период, а α — количество делений между началами периодов.
Если графики периодов силы тока и напряжения имеют общие начальную и конечную точки, то угол сдвига фаз равняется нолю.
При ремонте радиоаппаратуры поиск неисправностей ведут, измеряя осциллографом обозначенные выше параметры на отдельных участках электронной цепи или у конкретных электронных компонентов (например, микросхем). Затем их сравнивают с указанными в технологических каталогах величинах, стандартных для этих компонентов, после чего и делают выводы о безошибочной работе или неисправности того или иного элемента цепи.
Если статья была вам полезна, поделитесь ею, пожалуйста, в соц.сетях, воспользовавшись кнопками внизу страницы!
Заходите на мой канал в YouTube и в группы «Телемастерская» в Одноклассниках и «Самоделкин» ВКонтакте!
Всем успехов!
viktorkorolev.ru
Осциллографические методы измерения параметров сигналов
1. Измерение напряжения
Измерение напряжения производится в режиме линейной развертки (первый основной режим работы осциллографа)
Рисунок 8.4
Схема подключения источника сигнала (генератора) к осциллографу приведена на рис. 8.4
Рисунок 8.5.
 |
Рисунок 8.6
(8.6)
Измеряемое напряжение uc(t)
подается на вход Y осциллографа. На пластины X ЭЛТ поступает сигнал ГР uГР(t). В этом случае порядок функционирования блоков осциллографа определяет структурная схема, представленная на рис. 8.4. На экране наблюдается осциллограмма, как зависимость поданного на вход Y сигнала от времени (для sin сигнала), рис. 8.5. “Размах” осциллограммы определяется как разность максимального и минимального отклонения луча. При симметричном двухполярном сигнале его амплитуда определяется из соотношения
(8.7)
где — количество делений сетки осциллографа, соответствующее “размаху”
осциллограммы [дел].
— коэффициент отклонения по шкале Y (цена деления по шкале Y) [В/дел]. Его численное значение определяется положением дискретного переключателя чувствительности КВО.
Данное измерение является косвенным. В этом случае погрешность определяется из соотношений:
– систематическая абсолютная составляющая погрешности
[В] (8.8)
– СКО случайной составляющей погрешности
[В] (8.9)
Где — абсолютная погрешность измерения геометрического размера [дел]
— абсолютная погрешность задания коэффициента отклонения [В/дел]
— СКО погрешности измерения величины [дел]
— СКО погрешности задания коэффициента отклонения [В/дел]
2. Измерение частоты
Измерение частоты с помощью осциллографа производиться следующими методами:
— методом линейной калиброванной развертки;
— методом линейной развертки с внешним генератором образцовой частоты;
— методом синусоидальной развертки;
— методом круговой развертки.
Принцип измерения частоты с помощью осциллографа указанными методами, схемы подключения источника сигнала к осциллографу, структурные схемы, поясняющие функционирование блоков осциллографа и расчетные соотношения для измеряемой частоты приведены в лекции 10 (раздел 10.2).
3. Измерение угла сдвига фаз
Измерение угла сдвига фаз с помощью осциллографа производиться следующими методами:
— методом синусоидальной развертки;
— методом линейной развертки.
Принцип измерения фазового сдвига с помощью осциллографа указанными методами, схемы подключения источника сигнала к осциллографу, структурные схемы, поясняющие функционирование блоков осциллографа и расчетные соотношения для измеряемого угла сдвига фаз приведены в лекции 11 (раздел 11.2).
Похожие материалы:
univer64.ru
