Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Up = Су l y; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = C_XL_X — период следования импульсов;

τ_п = С_X l _Х — длительность импульса;

С_Х — цена деления сетки по горизонтали, с/дел; l y, Lx, l x — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 3...5 %. Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1...2 %.

С помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток). Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f₀ = 1/T₀. При этом длительность сигнала _и = п Т₀, где п — количество калибровочных меток.

Способ измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отключается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение составляет:

Отсюда измеряемая частота определяется как: fx=f0/2.

Точность этого метода определения частоты колебания оказывается высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и наблюдение таких фигур — достаточно сложная измерительная задача.

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

• частотный диапазон канала вертикального отклонения ;

• переходная характеристика канала осциллографа.

Частотные свойства осциллографа отражаются параметрами его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) — зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. АЧХ характеризуют полосой пропускания, определяемой верхней граничной частоты f _в, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью.

К параметрам переходной характеристики, относят время нарастания τ_но — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня U_m) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополнительные параметры: время установления τ_уo, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром δ. Время нарастания — основной параметр канала вертикального отклонения Y осциллографа.

Для исследования кратковременных сигналов необходим осциллограф, имеющий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала.

Учитывая изложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле:

При этом длительность фронта импульса следует уточнять согласно выражению:

где τ_изм — измеренное значение длительности фронта; τ_но — время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа, должно быть не более 0,1... 0,3 от длительности сигнала.

От нижней граничной частоты F_н зависит величина скоса ∆U_m вершины импульса. Эта граничная частота может быть определена из формулы:

где δ_и — допустимая относительная величина спада вершины импульса: