Изучение техники измерения параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа

Изучение техники измерения параметров импульсных сигналов с помощью осциллографа

Цель работы:

научиться измерять осциллографом амплитуду и временные параметры импульсов.

Приборы и оборудование: осциллограф типа С1-54 или С1-72, звуковой генератор Г3-36 и генератор импульсов Г5-15.

Основные теоретические положения.

Измерение длительности импульсов и других времен­ных параметров электрических сигналов, так же как и измерение их амплитуды, производится методом сравне­ния или методом непосредственного отсчета. В обоих случаях используется встроенный в осциллограф генера­тор, так называемый калибратор длительности.

В приборах ранних выпусков (например, в используе­мом в учебных лабораториях осциллографе С1-5) приме­няется метод сравнения, а калибратор длительности при­меняют для получения калиброванного масштаба вре­мени.

В современных приборах, как, например, в осцилло­графах С1-49, С1-54, а также в малогабаритном осцил­лографе С1-72, применяется метод непосредственного от­счета по калиброванной развертке. Калиброванная раз­вертка обеспечивается пилообразным напряжением, имеющим высокую линейность, незначительную протя­женность обратного хода и известную длительность пря­мого хода. Она обусловливает горизонтальное отклонение луча на строго определенное расстояние L_к при строго определенной длительности Т_р. От­ношение Т_p/L_k, выраженное, например, в мкс/см или в мкс/дел, определяет временный масштаб горизонтальной оси, так называемый коэффициент развертки.

При использовании такой развертки вместо значений частоты фиксированные положения ее переключателя соответствуют различным значениям коэффициента раз­вертки, которые выражаются как время/дел или вре­мя/см.

Применение калиброванной развертки значительно облегчает процесс измерения временных интервалов.

Погрешность измерения интервалов времени при из­меряемом размере по горизонтали в пределах 40—90 мм не превышает ±5% при множителях «XI», «Х2», «Х5». На растянутых диапазонах, т. е. при множителях «Х0.25» и «Х0,5»—± (5+100/А) %, где А — измеряемый размер по горизонтали, мм. На диапазоне 100 мке/см основная погрешность может достигать ± (8+1/A • 100) %.

Калибровка производится потенциометром «Корр. разв.». После проверки и при необходимости корректи­ровки коэффициента развертки можно измерять времен­ные параметры электрических сигналов. Методика изме­рения заключается в следующем: используя деления шкалы, измеряют горизонтальное расстояние между точ­ками, интервал времени между которыми необходимо определить. При этом измеряемый участок рекомендует­ся с помощью ручки перемещения изображения по го­ризонтали установить в среднюю часть шкалы, по воз­можности симметрично центру экрана. Для уменьшения погрешности измерения за счет толщины линии луча, измерения производятся либо оба по правым, либо оба по левым краям линий изображения.

Измеряемый временной интервал определяется произ­ведением следующих двух или трех величин: длины из­меряемого интервала времени на экране по горизонтали (в сантиметрах или в делениях шкалы), значения вели­чины времени на сантиметр или на деление шкалы в данном фиксированном положении переключателя «Время/см» или «Время/дел», показания переключателя «Множитель», если он имеется в данном типе прибора.

Рассмотрим два случая измерения временных интер­валов.

1.Измерение временных интервалов производится ос­циллографом С1-72.

Пусть при измерении переключатель «Время/дел» установлен в положении (0,5 мкс), а расстояние L по горизонтали экрана, соответствующее измеряемому интервалу времени, составляет 5,5 дел. Тогда длитель­ность измеряемого интервала времени будет равна 5,5-0,5 = 2,75 мкс (переключателя «Множитель» в этом приборе нет).

2. Измерение временных интервалов производится ос­циллографом С1-54. При измерении переключатель «Длительность см» установлен в положении 1 мкс/см, а переключатель «Множитель» в положении «Х0,25». Рас­стояние L = 5,4 см. Тогда длительность измеряемого ин­тервала времени будет равна 5,4 • 1 • 0,25= 1,35 мкс.

Точность измерения временных интервалов увеличива­ется при увеличении длины измеряемого расстояния на экране электронно-лучевой трубки (до определенного размера, указываемого в описании к прибору); поэтому при измерениях необходимо правильно выбирать рабо­чую длительность развертки.

В отдельных типах осциллографов, как, например, в импульсном осциллографе С1-5, для измерения времен­ных интервалов применяется метод сравнения. В таких приборах в качестве калибратора длительности применя­ется генератор синусоидальных колебаний стабильной частоты, синхронных с началом ждущей развертки. Эти колебания остаются незатухающими, пока луч переме­щается в прямом направлении, а по окончании разверт­ки быстро затухают. Генераторы такого типа называются генераторами с ударным возбуждением колебаний, они позволяют легко осуществить синхронизацию с генера­тором развертки, чем и объясняется их применение в осциллографах.

Синусоидальное напряжение генератора подается на управляющий электрод или катод электронно-лучевой трубки и модулирует яркость луча, т. е. в одни полупе­риоды действия этого напряжения яркость луча повыша­ется, в другие — луч гасится. В результате на экране появляются светлые метки с темными промежутками меж­ду ними. Расстояние между серединами двух ярких или двух темных меток соответствует периоду калибрационного напряжения, измеряемого обычно в милли- или микросекундах. Период этого калибрационного напряжения определяет цену метки и соответствует периоду собст­венных колебаний контура генератора с ударным воз­буждением. Зная общее количество ме­ток на экране, можно легко определить длительность в микросекундах любой части сигнала. Процесс получения, меток длительности на исследуемом сигнале показан, на рис. 7.8, а — в. В момент времени t₁(рис. 7.8, б) на модулятор ЭЛТ подают си­нусоидальное напряжение U_мод с амплитудой, доста­точной для запирания элект­ронного луча; здесь U _к и

разность потенциалов, обеспечивающая нормальное свечение осциллограммы. В течение времени t₁-t₂напряжение модулятора возра­стает и осциллограмма светится ярче. В промежутке времени t₂—t₃ луч гасится и свечение исчезает.

В результате осциллограмма импульсного сигнала изображается пунктирной линией (рис. 7.8, в).

Разная линейная длительность меток на экране объ­ясняется неодинаковой скоростью движения луча, при воспроизведении разных участков сигнала, но их времен­ная длительность всегда одинакова.

Для изменения масштаба длительности (цены калиб­ровочной метки) в схеме генератора имеется переключа­емый набор контуров с различными собственными часто­тами. Собственная частота каждого контура выбирается такой, чтобы при каждой длительности развертки на осциллограмме сигнала получалось 5-10 меток.

Рассмотрим порядок измерения длительности импуль­са осциллографом С1-5 с использованием калибрацион­ных меток. Для этого необходимо: 1) подготовить ос­циллограф для работы со ждущей разверткой, синхро­низируемой исследуемым сигналом; 2) получить неподвижное изображение импульса на экране, трубки; 3) переключатель «Метки» поставить в одно из рабочих положений. На осциллограмме импульса появятся калибрационные метки в виде ярких точек или черточек и тем­ных промежутков между ними; 4) выбрать положение переключателя «Метки» такое, чтобы количество калиб­рационных меток времени было максимальное, но удоб­ное для отсчета; 5) отрегулировать изображение (фокус, яркость, синхронизацию) так, чтобы можно было под­считать число меток; 6) по количеству меток на изобра­жении и по цене метки, указанной на шкале переключа­теля, определяют длительность исследуемого импульса; необходимо учитывать, что при неправильном выборе диапазона меток последние могут быть очень близки друг к другу и сольются в сплошную линию или, распо­лагаясь очень редко, не дадут необходимой точности из­мерения длительности импульсов.

Подбирая положение переключателя меток, можно найти положение для измерения крутизны фронтов. В этом случае при большей крутизне фронтов импульса на них метки видны отчетливо, в то время как на плоской части вершины импульса они сливаются. Длительность фронта определяется таким же способом, как и длитель­ность самого импульса. Необходимо учитывать, что одна яркая черта или только один темный промежуток имеют цену половины метки. При точных отсчетах необходимо считать и более мелкие доли метки.

Ход работы.

1.Включить осциллограф в сеть и подготовить его для работы в режиме ждущей развертки.

2.Включить генератор импульсов в сеть и получить на его выходе импульсы заданной амплитуды, длитель­ности и частоты следования (указывается в индивидуаль­ном задании).

3.Получить на экране неподвижную осциллограмму исследуемого импульса (импульс должен занимать не менее половины экрана).

4.Измерить амплитуду, длительность и период сле­дования импульсов. Длительность измеряемого импульса будет равна произведению длины измеренного временного параметра по горизонтали в см, значения длительности в мкс/см и показания переключателя «множитель». Для измерения периода следования необходимо получить на экране одновременное изобра­жение не менее двух импульсов. Частоту следования импульсов определяют по формуле f=1/T.

Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1

Таблица 1.

Указания к отчету.

Отчет должен содержать:

1) наименование и цель работы;

2) основные технические показатели осциллографа;

3)порядок подготовки прибора к работе,

4)методику измерения амплитуды и частоты непре­рывных сигналов, а также амплитуды и временных па­раметров импульсов;

5)результаты измерений и расчетов;

6)краткие выводы и заключения.

Контрольные вопросы.

1.Что такое коэффициент развертки?

2.Как зависит точность измерения временных интервалов от длины измеряемого расстояния на экране ЭЛТ?

3.Чем определяется измеряемый временной интервал?

4.В чем заключается метод сравнения?