Описание и порядок выполнения работы

Лабораторная работа 4.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Цель работы - исследование метрологических характеристик осциллографа и измерение амплитудных и временных параметров электрических сигналов различной формы.

Задание

1. Ознакомиться с органами управления осциллографа и аппаратурой, применяемой для его исследования.

2. Определить основные погрешности коэффициентов отклонения и коэффициентов развёртки.

3. Определить характеристики нелинейных искажений изображения по осям Y и X.

4. Определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала вертикального отклонения.

5. Измерить амплитудные и временные параметры сигналов по указанию преподавателя.

6. Оценить погрешности измерений, используя результаты исследования осциллографа и его метрологические характеристики, указанные в описании.

Описание и порядок выполнения работы

Включить осциллограф и подготовить его к работе согласно инструкции. При включении осциллографа на его экране должно появиться изображение луча или двух лучей в зависимости от режима его работы (включен один канал или два); при «заземленных» входах осциллографа (переключатель AC-DC-GND находится в положении GND) на экране должны наблюдаться одна или две горизонтальные линии соответственно.

При отсутствии изображения необходимо установить ручки управления яркостью (INTER) и фокусом (FOCUS) в среднее положение и убедиться, что включен автоколебательный режим работы генератора развертки (переключатель MODE находится в положении AUTO). Затем регулировкой смещения лучей по вертикали (POSITION ↕) и горизонтали (POSITION «) добиться появления их на экране. После этого сфокусировать изображение и установить необходимую для наблюдения яркость.

Для начальной установки лучей при «заземленных» входах (переключатель AC-DC-GND в положении GND) совместить (POSITION ↕) изображение каждого луча со средней линией сетки на экране и установить (POSITION «) начало развертки луча у левого края экрана, отступив на 0,5…1 деления сетки от края.

ЭЛО

Вх.1

Вх.2

ГС

V

Рис. 4.1

Схема испытания осциллографа приведена на рис. 4.1, где ЭЛО – электронно-лучевой осциллограф, ГС – генератор сигналов синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы, V – электронный вольтметр; используемые средства соединены в соответствии со схемой коаксиальными кабелями.

Основные погрешности коэффициентов k _о отклонений и коэффициентов k _р развёртки определяются путем сравнения номинальных значений коэффициентов, устанавливаемых на осциллографе (переключателями VOLTS/DIV и TIME/DIV), с их действительными значениями, найденными экспериментально.

Погрешности коэффициентов отклонения определяют при 1-2 его номинальных значениях1, например при k _о = (0,5; 1) В / дел. Для этого на вход 1 канала вертикального отклонения с ГС подают синусоидальный сигнал частотой 1 кГц и устанавливают такое его напряжение, при котором размер L _2A изображения двойной амплитуды синусоиды составлял бы 6 (больших) делений сетки (для осциллографа GOS-620). Напряжение, необходимое для получения такого изображения, измеряют электронным вольтметром. Коэффициент k _рразвёртки в этом эксперименте может быть любым, при котором удобно наблюдать синусоидальный сигнал и измерять его амплитуду.

Действительный коэффициент отклонений (В / дел; мВ/дел; мкВ/дел) определяется выражением:

= U _{2 А} / L _2А,

где U =4.2B напряжение на основании показаний вольтметра(электронный вольтметризмеряет действующее значение синусоидального напряжения); L _2А =6 дел. размер изображения двойной амплитуды сигнала.

Относительная погрешность коэффициента отклонения (в процентах)

,

где k _о -2 В/дел - установленный номинальный коэффициент отклонения.

Оценка погрешностей коэффициентов k _р развертки проводится также для 1-2 его номинальных значений. При этом коэффициент k _о отклонений устанавливается удобным для наблюдений сигналов на экране.

Для определения действительного значения коэффициента развертки на вход осциллографа подается сигнал прямоугольной (или синусоидальной) формы с известным периодом Т=0.001 с. При установленном коэффициенте развертки k _{р=0.2 мс/дел} изменением частоты f генератора сигналов ГС добиваются изображения n = 2 целых периодов входного сигнала. На экране осциллографа определяют размер L_{nT=10 дел.} изображения n целых периодов, выраженный в больших делениях шкалы. Действительный коэффициент развертки (с/дел; мс/дел; мкс/дел) определяется выражением:

,

где f и Т – частота и период входного сигнала, при котором на экране осциллографа наблюдались n его целых периодов.

Относительная погрешность коэффициента развертки (в процентах)

,

где k _р – установленный номинальный коэффициент развертки.

LY 1

LY 2

LХ

LХ 2

LX 1

Рис. 4.2

LY

Определение характеристик нелинейных искажений изображения. Эффекты искажения формы сигнала, вызванные нелинейностью функций преобразования напряжений и интервалов времени в соответствующие им размеры изображения сигналов на экране осциллографа, характеризуются максимальной нелинейностью амплитудной характеристики канала и максимальной нелинейностью развертки. Оценить оба параметра можно с помощью сигнала прямоугольной формы скважностью q = 0,5. Для этого следует установить такое значение амплитуды сигнала, чтобы размер изображения по оси Y в центре экрана занимал не менее 6 делений, а также частоту генератора, при которой по оси Х полностью разместились бы 5 полу­периодов сигнала (точную установку размера можно обеспечить изменением частоты генератора сигналов или регулятором плавного изменения коэф­фициента развертки осциллографа). Вариант наблюдаемой осциллограммы представлен рис. 4.2.

Нелинейность амплитудной характеристики канала вертикального отклонения (в процентах) оценивают отношением

=0,

где max{| L_{Y 1} – L_Y |, | L_{Y 2} – L_Y |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображения амплитуды сигнала по вертикали, в делениях, L_Y – размер амплитуды в центре экрана. Нелинейность развёртки (в процентах) определяют отношением

=0,

где max {| L_{X 1} – L_Х |, L_{Х 2} – L_Х |} – максимальная разность (по модулю) размеров изображений полупериодов сигнала, L_Х – размер изображения полупериода в центре экрана.

Определение амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения. АЧХ канала вертикального отклонения определяют как зависимость размера L_Y изображения по оси Y амплитуды синусоидального сигнала на экране ЭЛТ от его частоты при неизменном напряжении сигнала на входе канала.

Рабочей полосой пропускания канала считают диапазон частот D f, для которого неравномерность АЧХ не превосходит некоторой заранее установленной величины. Например, часто используется величина допустимого спада АЧХ при изменении частоты, равная 3 дБ, что соответствует уменьшению размера изображения сигнала до » 0,707 от его значения на некоторой номинальной частоте, определенной для каждого типа осциллографа. Крайние значения диапазона частот, удовлетворяющего указанным требованиям, являются верхней f _в и нижней f _н граничными частотами рабочей полосы пропускания канала осциллографа.

Определение АЧХ проводят также по схеме, представленной на рис. 4.1. В качестве источника сигналов используется генератор SFG-2000, который обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала при изменении частоты в его рабочем диапазоне. В этом эксперименте электронный вольтметр не является образцовым прибором, поскольку частотный диапазон его уже частотного диапазона осциллографа.

Сначала регулировкой выходного напряжения ГС устанавливают размер L _2А = 6 делений изображения по вертикали двойной амплитуды сигнала на частоте f ₀ = 1 кГц для осциллографа GOS-620. В дальнейшем при определении АЧХ выходное напряжение генератора не изменяют.

АЧХ удобно определять отдельно для областей верхних и нижних частот. В области верхних частот АЧХ начинают снимать с шагом 2 МГц: 1 кГц (начальная точка АЧХ), 2 МГц, 4 МГц, … до частоты, при которой амплитуда изображения сигнала упадет до величины порядка 0,5…0,7 от первоначально установленной при f ₀ = 1 кГц. Для уточнения верхней частоты f _в рабочей полосы частот D f осциллографа необходимо в районе предположительного спада АЧХ до 0,707 (3 дБ) дополнительно снять АЧХ с меньшим шагом изменения частоты входного сигнала1. Результаты испытаний записать в таблицу, где L _2А(f) – размер изображения сигнала на частоте f, K (f) – АЧХ, представленная в относительных единицах для соответствующих частот f, K (f) = L _2А(f) / L (f ₀ = 1 кГц), k _о – коэффициент отклонений, при котором проводился эксперимент, f _в – верхняя граничная частота рабочей полосы пропускания канала, найденная в эксперименте.

Область верхних частот
f, МГц	0,001			4,5		5,5
L 2A(f), дел.			5,8	5,7	5,6	5,2	4,8
K (f)
k о = … В/дел	f в =... МГц

В области нижних частот АЧХ определяют отдельно для закрытого (AC) и открытого (DC) входов канала вертикального отклонения. Поскольку нижняя частота f _н рабочей полосы частот D f для закрытого входа у осциллографов обычно находится в области единиц и первых десятков Гц, процедура определения АЧХ для закрытого входа может быть следующей: сначала уменьшают частоту от f ₀ = 1000 Гц через 200 Гц, а затем от 50 Гц – через 10 Гц. Если необходимо, можно уточнить нижнюю частоту f _н рабочей полосы, при которой АЧХ падает до 0,707, снятием дополнительных точек с шагом 1 Гц.

Определение АЧХ для открытого входа проводится при тех же частотах.

Результаты испытаний представляют в таблице.

Область нижних частот
f, Гц
L 2A(f), закр. вх., дел.				5,6	5,8	5,8	4,5	4,6	3,8
K (f), закр. вх
k о = … В/дел; для закрытого входа f н = … Гц
L 2A(f), откр. вх., дел.		5,9	5,6		4,6	4,3	3,6	2,8
K (f), откр. вх
k о = … В/дел.; для открытого входа f н = … Гц

По результатам проведенных исследований строятся графики АЧХ для верхних и нижних частот.

Применение осциллографа для измерения параметров сигналов. Объекты измерений задаются преподавателем. Измеряемые сигналы подаются с помощью коаксиального кабеля на второй вход (CH2) осциллографа и устанавливается необходимый режим работы для визуального наблюдения сигналов (переключатель MODE находится в положении CH2; регуляторы POSITION «↕, «» - в положениях, обеспечивающих наблюдение луча по второму каналу; режим синхронизации: AUTO или NORM; CH2, LEVEL - в положении, обеспечивающем устойчивую синхронизацию). Для измерения параметров сигналов коэффициенты развертки и отклонения канала вертикального отклонения устанавливают такими, чтобы на экране ЭЛТ появилось изображение одного-двух периодов исследуемого сигнала с достаточно большой для измерения амплитудой.

Амплитуду сигнала (в вольтах) определяют из соотношения

U = k _о L _{А =0.5х3.6=1.8} в,

где k _о. -коэффициент отклонения, В/дел.; L _А - размер амплитуды, в делениях,

Относительная погрешность d_А измерения амплитуды

d_А = + d_{н а} + d_{в а},

где - относительная погрешность коэффициента отклонения, d_{н а} - относительная погрешность нелинейности вертикального отклонения, d_{в а} - относительная визуальная погрешность.

Погрешности и d_{н а} выбираются из полученных при исследовании или, если они не определялись, из технических характеристик осциллографа.

Визуальную погрешность (в процентах) находят из соотношения

d_ва = 100(b / L _А),

где L _А- размер изображения амплитуды, в делениях, b - абсолютная погрешность оценки L _А, зависящая от толщины линии изображения сигнала на экране (фокусировки) и от субъективной погрешности отсчитывания L _А, часто b принимают равной толщине линии изображения сигнала на экране луча, в делениях.

Длительность временных параметров (периода, длительности импульса и т. п.) сигнала вычисляют по формуле

t_Т = k _р L_{T=0.2х4=0.8 мс},

где k _р - коэффициент развертки, С/дел.; L_T - размер измеряемого параметра, в делениях, на изображении сигнала по оси X.

Относительная погрешность d _t измерения временных параметров

d _t = + d_{н р} + d_{в д},

где - погрешность коэффициента развертки, d_{н р} - погрешность нелинейности развертки, d_{в д} - визуальная погрешность измерения длительности.

Погрешность d_{в д} (в процентах) можно найти из формулы

d_{в д} = 100(b / L_Т),

где L_T - размера измеряемого параметра по горизонтали, b - абсолютная погрешность оценки L_Т (см. оценку d_{в а} ранее).

 

1 При установке номинальных коэффициентов отклонения и развертки необходимо следить, чтобы ручки плавной регулировки этих коэффициентов находились в крайнем правом (по часовой стрелке) положении.

1Поскольку верхняя частота f _в полосы пропускания осциллографа соизмерима с максимальной частотой генератора, то в случае, если не достигается требуемый спад АЧХ осциллографа, принять для данного эксперимента за верхнюю частоту f _в максимальную частоту генератора с указанием уровня спада АЧХ.